激光之父：1964年諾貝爾物理學獎得主湯斯博士

[摘 要]美國實驗和理論物理學家、發明家和教育家查爾斯·湯斯是微波激射器（Maser）的主要發明者和激光器（Laser）的先驅者之一，與前蘇聯（現俄羅斯）物理學家和微波波譜學家巴索夫以及普羅霍羅夫分享1964年諾貝爾物理學獎，還與多人共享“激光之父”之美譽。激光技術是20世紀人類的重大技術發明之一，為了紀念湯斯教授逝世1周年并寄托筆者的深情哀思，特撰寫出此長文。筆者在此全面介紹了湯斯教授的生平與家庭成員；主要學術成就與貢獻；與中國的淵源以及所獲雅稱、獎項與榮銜，重點梳理出激光技術波瀾壯闊發展歷程的整個脈絡和概貌，還順便簡介了并非激光器的半導體發光二極管（LED）的發展概況，簡明扼要地闡述了諾貝爾自然科學獎中與激光技術密切相關的有關情況。

[關鍵詞]查爾斯·湯斯；能級（能態）；躍遷；受激輻射；微波波譜學；核磁共振；拉比樹；粒子數反轉；微波激射器（Maser）；量子電子學；工作物質（增益介質）；泵浦源；光泵浦；光諧振腔；激光（Laser）；紅寶石激光器；激光技術；光纖通信（光通信）；網絡；全息攝影術；精密測量；激光冷卻技術；玻色—愛因斯坦凝聚態（BEC）；發光二極管（LED）；發明專利；諾貝爾自然科學獎

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.05.167

2.5 粒子數反轉

一般情況下，粒子數反轉（population inversion，又譯為集居數反轉、居量反轉、群數反轉）是產生Maser/Laser的先決條件。兩能級間受激輻射概率與兩能級粒子數差有關。通常情況下，處于熱平衡不同能級的粒子服從玻爾茲曼分布，即處于低能級E1的粒子數大于處于高能級E2的粒子數，這種分布是粒子數的正常分布，只能得到普通光。為了得到激光，就必須使用電、光及其他方法對工作物質進行激勵，設法把處于基態的粒子大量激發到亞穩態，使得高能級E2上的粒子數大大超過低能級E1上的粒子數，在受激輻射作用下，工作物質就能對某一特定波長的光輻射產生放大作用（即光放大）。這樣就可在高能級E2和低能級E1之間實現粒子數的反轉分布。

科學家們通過對原子能級系統的深入研究，發現能夠實現粒子數反轉的能級系統幾乎全部可歸納為3能級系統3ELS（three energy levels system）和4能級系統4ELS（four energy levels system）兩類。在3能級系統中，E0是基態能級，E1是亞穩態能級，E2是激發態泵浦高能級，在E1和E0之間產生激光。其主要特征是激光的低能級是基態，發光過程中低能級的粒子數會一直保持有相當的數量，粒子數反轉的效率較低。在4能級系統中，E0是基態能級，E1是激發態能級，E2是亞穩態能級，E3是激發態泵浦高能級，在E2和E1之間產生激光。因激光的低能級是一個激發態，常溫下基本上是空的，其激勵能量要比3能級系統小得多，更容易獲得激光。

前蘇聯物理學家法布里坎特（Valentin Aleksandrovich Fabrikant，1907.10.09—1991.03.03）是粒子數反轉這一重要物理思想的首倡者和踐行者。他在討論氣體放電的發光機理時，分析了由負吸收產生光放大的可能性，以及由此所引起的光強度增加和方向性的問題。他根據拉登堡發現的吸收系數、愛因斯坦A/B系數和粒子數分布的關系指出：要使輻射通過介質不但不衰減而且還要放大的話，就必須實現粒子數反轉[1]，為此他用氦（He）的388.9 nm譜線激勵銫（Cs）原子，觀察到原子能級的粒子數反轉現象。1940年他在博士論文中首先提出了產生粒子數反轉的實現方法，這一獨到見解是從愛因斯坦受激輻射理論向構思激光器技術原理邁出的極為重要的一步，因為它指明了產生激光的最重要條件。

1947年4月拉姆（又譯為蘭姆，Willis Eugene Lamb，Jr.，1913.07.12—2008.05.15，1955PH21）和美國物理學家雷瑟福（Robert Curtis Retherford，1912—1981）通過波譜學實驗方法發現氫原子的亞穩態及其光譜線不是單一的黑線，而是由一些不連續的非常接近的譜線系列組成，后來人們把氫原子光譜的這種雙線結構稱為拉姆位移（Lamb shift）。在他倆發表關于氫原子光譜精細結構的著名論文的一個附注中指出通過粒子數反轉可以期望實現感應輻射（induced emission），即受激輻射。[2～3]他倆的興趣只是在氫原子的精細結構方面，并沒有把負吸收和自持振蕩聯系起來，僅是在論文中添加一個附注而已，故將此說成是受激輻射的第一個實證是不妥當的。1950年拉姆明確提出氣體放電中的電子碰撞可以改變粒子的集居數。

粒子數反轉這一思想至關重要，然而當時在人們的心目中，認為這是不可思議的。因為在熱平衡條件下，低能級粒子數總是比高能級粒子數多，實現粒子數反轉就必須破壞熱平衡，故粒子數反轉思想當時并未引起人們的重視。

1948年珀塞爾有意識地研究了磁場中各子能級的集居數。1950年珀塞爾和美國物理學家龐德（Robert Vivian Pound，1919.05.16加拿大安大略省—2010.04.12）利用微波波譜學的方法研究氟化鋰（LiF）晶體中原子核磁矩構成的順磁體系，為了更進一步地弄清楚磁共振信號的來源和增強微波信號，他倆特意采用突然反向靜磁場法。當外磁場極性改變比核自旋—晶格弛豫時間短得多時，出現了鋰原子（Li7）核自旋體系集居數的反轉，發生了負吸收現象，意外地觀察到頻率為50 kHz的受激輻射。這是受激輻射首次直接被實驗所證實，也直接給出了受激輻射發生的前提是要實現粒子數反轉。為了解釋這種現象，珀塞爾和龐德首先提出“負溫度”（negative temperature）概念，并把粒子數反轉稱為“負溫度”狀態。[4]負溫度不是表示比絕對零度還低的溫度，而是描述從零到正無窮的開氏溫標所不能描述的狀態。

光泵浦（optical pumping，“泵浦”系英文pump的音譯，又意譯為“抽運”）是指用光將粒子中的電子從低能級激發到高能級（即受激吸收）而產生粒子數反轉。光泵浦的磁共振是由核磁共振演化而來的。1947年發現拉姆位移以后，1949年美國磁學家比特（Francis Bitter，1902—1967）建議可把射頻波譜技術擴展到原子激發態方面的研究。此前磁共振實驗一般是在凝聚態中粒子處于熱平衡狀態下進行的，激發態的磁共振則從未有人做過。光磁雙共振是將光共振和磁共振結合起來，使粒子光學頻率的共振與射頻/微波（即赫茲波）頻率的磁共振同時發生的一種物理現象，1949—1950年布羅塞爾（Jean Brossel，1918.08.15—2003.02.04）[5]和卡斯特勒合作提出光磁雙共振的實驗設想[6～7]，1950年布羅塞爾在比特的指導下首次取得光磁共振實驗的成功，不過還不能探測原子的定向[8]，同年卡斯特勒又提出：采用圓偏振光激發原子，使原子的角動量發生變化，激發原子到高能級，即改變原子在基態某一子能級的集居數，從而首先提出光泵浦理論和實驗方案。1952年布羅塞爾和卡斯特勒等初步取得光泵浦實驗的成功[9]，其后即觀察到多光子共振現象，1955年他們終于取得光泵浦鈉原子磁共振實驗的成功。[10]因光泵浦法是利用光輻射來改變光子的能級集居數，是最早實現粒子數反轉的有效方法，是Maser向Laser演進的重要推手，在歷史上是一項重大技術突破，對激光的發明和發展發揮過重要作用（1960年梅曼的首臺激光器正是利用光泵浦技術來實現粒子數反轉的），故卡斯特勒常被贊譽為“激光之祖（激光之父）”。[11～12]

1959年貝爾實驗室（自牛津大學克拉倫登實驗室來此休假8個月）英國物理學家桑德爾斯（John H.Sanders）和美國物理學家賈范（Ali Mortimer Javan，1926.12.26伊朗德黑蘭—，1962年和1963年各獲1次諾物獎提名）率先分別提出在氣體系統中通過選擇性電子碰撞激發來實現粒子數反轉[13～14]，這一思想后來被激光開拓者所采用。

2.6 微波激射器（Maser）

微波激射器的全稱是受激輻射微波放大器Maser（microwave amplification by stimulated emission of radiation，音譯為脈塞或脈澤，此英文縮略詞1951年由湯斯首創），脈塞Maser（屬微波，不可見光）是激光Laser（light amplification by stimulated emission of radiation，直譯為受激輻射光放大器，音譯為萊塞或萊澤，其波長范圍涵蓋可見光和不可見光）的先驅。Laser是將Maser原理從微波頻段推廣到光波頻段的自然產物，兩者都是基于受激輻射會帶來放大效應的原理。Maser具有十分穩定的振蕩頻率，適宜于制作波譜儀和原子鐘。

微波波譜學和分子光譜學是“二戰”時期為研制微波振蕩器（系雷達核心部件）以提高雷達性能應運而生的，Maser的發明則是基于對微波波譜學和分子光譜學的研究而產生的。分子光譜包括轉動光譜、振動光譜和分子電子光譜三大類。

在原子系統中，通過受激輻射有可能獲得微波振蕩和放大（即微波激射）。1951年春湯斯到華盛頓參加一個由海軍組織的亞毫米波學術討論會，與肖洛同住富蘭克林公園賓館的一間客房，4月26日因起床早，餐廳未開門而又不想打擾同伴休息，于是獨自外出坐在賓館附近富蘭克林公園的長椅上靜心遐思，突然一個獨辟蹊徑的念頭在其頭腦中閃過，豁然開朗就構思出實現微波受激放大的可能性：擯棄電子學的傳統觀念，設想用分子體系來實現微波放大，首先分離出分子束系統中的高能級和低能級，然后把高能級分子饋入諧振腔保持自持振蕩并放大，使處于微波激發態的氨分子數大于處在低能級的氨分子數，這樣就會發生受激輻射。湯斯將微波的相干性和放大結合起來，促成了Maser的問世。量子放大器（又稱激射器）是指利用受激輻射原理使某些工作物質激勵而具有量子放大或發射電磁波性能的器件，在微波頻段稱為微波量子放大器（Maser），在光波頻段則稱為光波量子放大器（Laser）。光放大器現一般分為光纖放大器和半導體光放大器兩類。

1952年在渥太華舉行的電子管研究大會（Conference on Electron Tube Research，會期：06.16～17）由加拿大籍德國裔物理化學家和光譜學家赫茲伯格（1971CH，被譽為Father of molecular spectroscopy，即分子光譜學之父）主持，馬里蘭大學微波波譜實驗室美國物理學家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber，1919.05.17—2000.09.30，1962年和1963年各獲1次諾物獎提名）在大會上做了《在非熱平衡態下微波輻射的放大》的報告，首先公開提出Maser原理（其講演全文1年后發表[15]）：利用受激輻射誘發粒子放大微波必須破壞熱平衡，其輻射脈沖是相干的。盡管韋伯的方法后來并未全部實現，但它對湯斯產生過積極影響。

在美國軍方合同的資助下，1951年年底湯斯小組[成員還有湯斯的博士生詹姆斯·戈登（James Power Gordon，1928.03.20—2013.06.21，1963年獲1次諾物獎提名）和博士后齊格爾（Herbert Jack Zeiger，1925.03.16—2011.01.14，其博導是拉比，博士論文涉及分子束領域），齊格爾離開哥倫比亞大學后不久由中國學者王天眷接替]開始工作，他們選用氨分子束作為工作物質，利用分子受激輻射原理產生了噪聲極低的單色相干微波輻射，于1954年1月30日研制成功世界上首臺新型微波振蕩器——氨分子微波激射器Maser，其共振頻率為23.87 GHz圖4 湯斯（左）、戈登和齊格爾（未在場）等制成的第二臺Maser（波長1.25 cm，下同），功率極低（～10 nW），首次觀察到氨分子反演譜線的精細結構，這是實驗室內最早觀察到的微波分子輻射譜。[16～17]同年7月湯斯小組制成具有2個微波放大器的第二臺Maser（見圖4。據考證，照片中詹姆斯·戈登身后的人就是王天眷先生）。氨分子Maser的長期穩定度不高，并未走向實用化，但它作為首個量子電子學器件具有重要的歷史意義和價值，Maser的成功實驗成為Laser的理論先導。1956年湯斯正式提出Maser能被無線電波甚至被光波所泵浦，即將Maser原理拓展到光波，這是激光原理首次被直接描述。

前蘇聯物理學家巴索夫和普羅霍羅夫小組一直致力于分子振蕩器及其光譜的研究，探索利用微波波譜學方法建立頻率和時間的標準，這就需要人為地改變能級的集居數以增加波譜儀的靈敏度。巴索夫和普羅霍羅夫在1952年5月舉行的全蘇無線電波譜學大會（All-Union Conference on Radio-Spectroscopy）上首先提出得到Maser受激粒子的另一種可能途徑：在具有3ELS和4ELS的粒子系統中，利用高頻電磁波實現粒子數反轉，在高能級和居間能級或居間能級和低能級之間的躍遷頻率有可能得到量子放大和自持振蕩。1953年1月在全蘇核磁矩會議上他倆提交的論文《在微波波譜學中利用分子束》更詳細地闡明了這一思想。巴索夫和普羅霍羅夫對分子束在微波波譜學中的利用進行過深入的理論分析，1954年10月他倆聯名發表文章（此文可視為是量子電子學的開山之作）指出：[18]通過一個非均勻磁場，可將分子束中處于不同能級的各種類型的分子彼此分開，而處于特定能級的分子可被引導到一個微波諧振腔內，在腔內產生吸收或放大，定量地分析了Maser運轉的具體條件。巴索夫和普羅霍羅夫獨立研制成功的氨分子束低噪聲量子振蕩器和放大器（即Maser）比1954年1月湯斯小組晚幾個月運轉。湯斯小組以及巴索夫和普羅霍羅夫小組在幾乎相同的時間內獨立地對Maser作出開創性工作，兩組人的思路基本相同，前者首先在實驗上獲得成功，而后者則首先奠定了其理論基礎（正式發表論文時間領先）。1955年巴索夫和普羅霍羅夫利用量子力學對氟化銫（CsF）分子振蕩器和放大器進行理論分析[19]，不久普羅霍羅夫還把氨分子Maser的工作波長減小到亞毫米級，把頻率提高了1～2個數量級。文獻[20]和文獻[21]P186關于“1952年巴索夫及其博士生導師普羅霍羅夫研制成功世界上第一臺微波激射器”的描述有誤，1952年僅是他倆提出Maser設計思路和方案的時間，為此特予以訂正。1955年巴索夫和普羅霍羅夫合作提出多能級光泵浦理論可實現粒子數反轉，即提出初步的激光器原理和設計方案。[22～23]同年普羅霍羅夫把注意力轉向順磁共振Maser，在幾年內研究出一系列順磁晶體的順磁共振和弛豫特性，1958年制成順磁Maser。

布洛姆伯根對Maser/Laser的研究也作出過重要貢獻，1956年獨立地提出3能級泵浦法的新構思（這是3能級和4能級激光理論的基礎），詳細地計算了獲得“負溫度”的條件，并建議利用順磁材料（如Ni-Zn氟硅酸鹽和Ga-La乙基硫酸釓鹽）中的塞曼能級可做成可調諧的3ELS固體Maser。[24～25]1957年年貝爾實驗室物理學家斯柯維爾（Henry Evelyn Derrick Scovil，1923.07.25加拿大不列顛哥倫比亞省維多利亞市—2010.05.11美國華盛頓州Townsend港）小組根據這個原理，利用順磁摻釓離子（Gd3+）的氰化鉀晶體研制成功3ELS可調諧順磁固體Maser[26]，同年賈范也獨立地提出3ELS Maser方案。[27]1957年末哈佛大學Gordon McKay實驗室布洛姆伯根小組和密歇根大學工程研究院馬可霍夫（George Makhov）小組發明了紅寶石固體Maser（9060 MHz）[28～29]，它們彌補了氨分子Maser的不足（如感應頻率窄、可調諧范圍小和不能連續運行等）。至此，使厘米波和分米波的高靈敏度接收成為可能，并很快被用作于射電天體物理學、雷達和宇宙通信靈敏的低噪聲前置放大器。巴索夫、普羅霍羅夫和布洛姆伯根的多能級創新性思維為微波激射器的發展和激光器的誕生指明了方向。

應用最廣的Maser是1960年拉姆齊小組發明的氫原子Maser（即氫原子鐘，簡稱氫鐘），其輸出頻率是1420405751.767±0.002 Hz（相應的波長是21.10611405413 cm），對應于氫原子基態2個超精細能級之間的躍遷頻率。[30]氫原子Maser輸出頻率的準確度（其不確定度高達10-14數量級）和穩定度都極高，可用作于頻率和時間基準。

2.7 激光的誕生

1954年普林斯頓大學物理學家迪克（Robert Henry Dicke，1916.05.06—1997.03.04）首先提出“超發光”（superradiance，又譯為超輻射）和“光彈”（optical bomb）的設想，其中包含著粒子數反轉的思想。所謂超發光，是指短促的激勵脈沖過后，由于自發輻射會產生強烈的光束。1956年迪克在其專利申請書“分子放大和發生的系統和方法”[31]中就已提出運用法布里—珀羅干涉儀FPI（Fabry-Pérot Interferometer，簡稱F-P干涉儀，1897年[32]，又稱法布里—珀羅標準具，法國物理學家法布里是美國富蘭克林學會頒發的1921年富蘭克林獎章得主）作為光放大諧振腔的設想，且建立不求助于反射（2年后肖洛和湯斯提出的諧振腔方案采用了2面平行反射鏡）而在近紅外或可見光頻段產生相干受激輻射的新穎獨創思想。

1957年10月，時兼任貝爾實驗室顧問的湯斯訪問了貝爾實驗室，其妹夫肖洛1951—1960年在那里工作，倆人興趣相投、交談甚歡，相約密切合作、各取所長、共同攻關，其合作成果是1958年12月15日聯名發表了著名的具有獨到見解的論文《紅外區和光激射器》[33]，首次提出將微波激射原理擴展到紅外和可見光區的可能性，這是激光發展史上最具重要意義的經典文獻，實質上提出了完備的激光原理（即激光器的物理模型），奠定了現代激光的基礎，催生了激光器的誕生。該文不僅給出了受激輻射光產生的必要條件，而且提出了以鉀蒸氣為工作物質、鉀燈為泵浦源的紅外激射器詳細設計方案（此方案實際上無法實現正常工作），還論證了以法布里—珀羅干涉儀作為側壁完全開放式諧振腔選模以減少過剩波型和自發輻射的機制。

1958年普羅霍羅夫也指出：法布里—珀羅標準具可用作從亞毫米波直至可見光波段的開放式諧振腔。[34]巴索夫是半導體激光器的重要開拓者之一。世界科技界高度評價湯斯、巴索夫和普羅霍羅夫的原始創新思想，認為這是1960年激光器產生的物理基礎。1959年9月14～16日湯斯主持了紐約國際量子電子學和共振現象會議（International Conference on Quantum Electronics and Resonance Phenomena，即首屆國際量子電子學會議），巴索夫和普羅霍羅夫受邀參會，大會上科學家們提交的激光器設計方案就有幾十種，翌年湯斯主編的本次研討會論文集《量子電子學》（Quantum Electronics：A Symposium）由哥倫比亞大學出版社出版。至此，以量子電子學的研究為基礎，把微波量子放大器擴展到光波波段的理論基礎和技術已基本完備，為激光的誕生鋪平了道路。科學家們因此而紛紛加入到光激射器的研制熱潮中。

美國物理學家和工程師梅曼[Theodore Harold ″Ted″ Maiman，1927.07.11—2007.05.05，1962年獲1次諾物獎提名，1983年獲沃爾夫物理學獎，1987年獲日本國際獎，被譽為“光電產業之父”（Father of the electro-optics industry）]師從博導拉姆教授進行原子光譜的研究，1955年獲斯坦福大學實驗物理學PhD，其博士學位論文是《利用微波和光的雙共振研究氦原子激發態的精細結構》（Microwave-Optical Investigation of the Triplet-3P Fine Structure in Helium）。1955—1961年就職于美國加州休斯飛機公司休斯研究實驗室（Hughes Research Labs）量子電子學部（1961年梅曼及7位同事離開休斯實驗室加入新成立的Quantatron公司，次年創辦激光器制造公司Korad Solid State并自任總裁，1968年Korad被Union Carbide收購），最早進行了毫米波振蕩器的研究，還從事過紅寶石Maser的研究。1960年梅曼首先撰文指出肖洛1959年9月所斷言紅寶石不適宜于產生激光的錯誤（關于紅寶石的量子效率，肖洛得到～1%的結論是錯誤的，實際上應在～75%）[35]，接著他及其助理德漢寧（Irnee DHaenens，1934.02.03—2007.12.24）和阿薩瓦（Charles Asawa）大體按照肖洛和湯斯1958年的設計構思，僅使用5萬美元“獨立研究和發展經費”，于同年5月16日獲得了人類歷史上的第一束激光（694.3 nm），開啟了激光時代。激光被稱為“人造神光”、“最亮的光”、“最準的尺”、“最快的刀”和“奇異之光”。同年7月7日[次日《紐約時報》頭版以《被科學家放大的光》（Light amplification claimed by scientist）為題予以報道]休斯公司在紐約曼哈頓Delmonico賓館舉行的一個新聞發布會上宣布：梅曼研制成功（淡）紅寶石激光器并公開演示了這一設備，還給與會人員分發了介紹研究成果的單行本，這是得到公認的世界上第一臺激光器（屬非連續運行脈沖輸出激光器），其工作物質是摻鉻紅寶石晶體（Al2O3∶Cr3+-Cr2O3），3ELS光泵浦采用閃光氙燈（由GE公司生產的FT506螺旋管石英燈，原本用于航空攝影）橢圓漫射照明。[36～38]梅曼將發明激光的根本性突破寫成短文于6月22日投稿于《物理評論快報》雜志，24日就被該刊主編、美國和荷蘭理論物理學家（雙重國籍）古茲密特（Samuel Abraham Goudsmit，1902.07.11—1978.12.04，1925年與烏倫貝克合作發現電子自旋[39]）所拒絕，因為他誤以為梅曼的論文仍是關于Maser發展方面的，沒有發表價值，且當時該刊已有太多Maser技術方面的論文等待審稿，故梅曼只好精簡后改投更有影響的英國《自然》雜志，這次立即就被接受并順利發表。當時一名參加新聞發布會的記者未經作者許可就私自將單行本寄給《英國通信與電子》雜志，也被順利發表。[40～41]在得知梅曼激光實驗的成功消息之后，貝爾實驗室美國物理學家柯林斯（Robert John Collins，1924—2014.07.19）小組于8月1日重復了紅寶石激光的實驗，證實梅曼在紅寶石中得到的光具有相干性，從而確認受激輻射產生了激光。[42]Maser和Laser的發明不僅開創了本領域的基礎性研究，而且大大拓寬了宏觀和微觀物理學的視界。

在應用光學家王大珩[1915.02.26—2011.07.21，1955年當選為中國科學院學部委員（院士），1994年當選為中國工程院院士，“兩彈一星功勛獎章”獲得者，被譽為“中國光學之父”]院士的主持和領導下，1961年9月中科院長春光學精密機械研究所物理學家王之江（1930.11.21—，1991年當選為中科院院士，被譽為“中國激光之父”）和鄧錫銘（1930.10.29—1997.12.20，1993年當選為中科院院士）等人創制出中國第一臺激光器[43～44]，其工作物質是摻釹紅寶石晶體，光泵浦采用直管狀脈沖氙燈球形成像照明（其效率高于螺旋管狀脈沖氙燈漫射照明），光諧振腔采用獨特的半外腔式結構，與梅曼激光器的結構迥然不同。1961年7月日本電氣公司（NEC）久保田觀治等人研制出紅寶石激光器[45]，中國的首臺激光器比前蘇聯早2個月，從而使得中國成為世界上第3個擁有激光器的國家。[46～47]

2.8 激光技術主要發展歷程簡述

紅寶石激光器發明后不到半年，1960年11～12月IBM托馬斯·沃森研究中心（IBM Thomas John Watson Research Center）物理學家索洛金（Peter P.Sorokin，1931.07.10—）和史蒂文森（Mirek J.Stevenson）發明了世界上第二臺和第三臺4ELS閃光氙燈FT503泵浦的激光器，即摻鈾氟化鈣（CaF2∶U3+）激光器（2.500 μm）和摻釤氟化鈣（CaF2∶Sm2+）激光器（0.7085 μm）[48～49]，晶體必須冷卻到液氦溫度（沸點-268.93 ℃，0 K=-273.15 ℃）才能運轉，這2種固體激光器并未被實用。同年12月貝爾實驗室肖洛小組研制成功深紅寶石激光器（700.9 nm）[50～51]，當月12日16∶20分貝爾實驗室賈范、班尼特（William Ralph Bennett，Jr.，1930.01.30—2008.06.29）和赫里奧特（Donald Richard Herriott，1928.02.04—2007.11.08）采用低氣壓放電方法實現粒子數反轉，共同發明了采用4K液氦冷卻的4ELS電泵浦（非光泵浦）氦氖激光器（1.1523 μm），這是世界上首臺可連續輸出激光束的激光器。[52]截至1960年年底，世界上至少已有4種不同類型的5臺激光器運行成功。1962年貝爾實驗室艾倫·懷特（Alan D.White）和里格登（Jameson Dane Rigden）開發出首臺射頻激勵的氦氖激光器（0.6328 μm）[53]，這是當今實驗室里最常用的紅光激射源和標準激光器（氦氖激光器的其他2種波長1.1523 μm和3.3913 μm并不常用）。1964年拉姆提出了氣體激光的半經典自洽理論，成功地解釋了氣體激光功率曲線中心出現的凹陷現象，后稱拉姆凹陷（Lamb dip），為氣體激光的飽和吸收穩頻技術奠定了理論基礎。1972年英國國家物理實驗室率先研制出633 nm碘穩頻氦氖激光光頻標準。1985年美國Melles Griot公司首次推出全內腔綠光氦氖激光器（543 nm）。

1961年貝爾實驗室物理學家亞瑟·福克斯（Arthur Gardner Fox，1912.11.22—1992.11.24）以及美籍華裔物理學家和光纖通信專家厲鼎毅（Tingye Li，1931.07.07南京—2012.12.27猶他州Snowbird，被譽為“DWDM之父”，1996年中國工程院首批7名外籍院士之一）合作討論了激光諧振腔模型的不同橫向模式，考慮了正方形和圓形平面鏡法布里—珀羅諧振腔中電磁場的衍射效應，進一步地完善和豐富了光諧振腔理論。[54]同年貝爾實驗室加里·博伊德（Gary D.Boyd）和詹姆斯·戈登首先闡明了共焦腔（confocal optical resonator）的高斯模式理論[55]，次年加里·博伊德和科格爾尼克（Herwig Kogelnik，1932.06.02奧地利Graz—）予以改進和完善而提出擴展高斯模式理論。[56]

1961年9月貝爾實驗室約翰森（Leo F.Johnson）和納桑（Kurt Nassau，1927.08.25—2010.12.18）小組利用摻釹鎢酸鈣（CaWO4∶Nd3+）發明了首臺可連續運行的4ELS光泵浦釹玻璃激光器（1.064 μm，另一種波長為1.054 μm），在室溫下獲得脈沖激光。[57～58]同年10月美國光學公司斯尼特茲（Elias Snitzer，1925.02.27—2012.05.24）博士利用摻雜2%氧化釹的鋇鈣玻璃也研制出4ELS釹玻璃激光器。[59]同年12月貝爾實驗室唐納德·納爾遜（Donald F.Nelson）和博伊爾（2009PH32）合作發明了首臺可連續運行的紅寶石激光器。[60]釹玻璃激光器的研制成功開創了具有廣闊用途的稀土玻璃激光器研究之先河。1961年斯尼特茲首先建議把激光器和光纖結合起來[61]，次年貝爾實驗室科學家克蘭曼（David Allmond Kleinman）等人首次實現在激光腔內采用F-P反射鏡進行模式選擇。[62]1964年凱斯特（Charles J.Koester）和斯尼特茲報道在沒有終端反射涂層的情況下，利用盤繞的線性閃光燈泵浦摻釹玻璃光纖放大器，在長1 m的光纖中將激光脈沖放大了5萬倍。[63]光纖放大器是光通信的關鍵技術，本來玻璃激光器和光纖是兩碼事，只不過是殊途同歸而已。光纖的基質材料是玻璃，向光纖中摻雜稀土類元素離子使之激活而制成光纖激光器。玻璃激光器是現代光纖激光器的先驅，但限于當時的技術條件，其研究進展相對緩慢。1987年英國南安普敦大學物理學家佩恩（Sir David Neil Payne，CBE，FRS，FREng，1944.08.13—）小組發明了摻鉺光纖放大器EDFA（erbium-doped fiber amplifier，1.536 μm，其信號增益為26 dB）[64]，它的應用可免除光—電—光的中繼轉換而實現光的實時放大，能提高傳輸質量并大大減少長距離光纖傳輸的成本，為現代光通信商業化奠定了堅實基礎，現已被廣泛應用于光通信和高能激光中。1996年日本科學家開發出單模摻釹光纖放大器NDFA（neodymium-doped fiber amplifier），在1.06 μm處獲得60 nm的增益帶寬，其信號增益大于20 dB，噪聲為3 dB[65]，NDFA具有泵浦閾值低、噪聲系數小和摻雜濃度高等優點。

光纖激光器還是激光武器研究的一種候選方案，也是用作受控熱核聚變的主要候選光源。激光受控熱核聚變的兩大實驗研究途徑是：①磁約束核聚變MCF（magnetic confinement fusion）；②慣性約束核聚變ICF（inertial confinement fusion），另有包括磁化目標核聚變在內的非常規核聚變（unconventional fusion）途徑。隨著激光技術的興起，ICF這一新概念被提出。早在1961年，巴索夫和克羅辛（Oleg Nikolaevich Krokhin，1932.03.14—）就開始考慮用強激光實現受控核聚變的可能性并著手研究激光核聚變所必需的物理前提、激光技術和制靶技術，1963年他們在巴黎第3屆國際量子電子學會議IQEC（International Quantum Electronics Conference，會期：2月11～15日）上首先提出激光核聚變思想：采用高功率脈沖激光輻射聚變燃料靶，有可能產生高溫高密度等離子體，達到點燃熱核反應的條件，從而實現人工核聚變反應。[66]1964年普林斯頓大學等離子體物理實驗室美國計算物理學家約翰·道森（John Myrick Dawson，1930.09.30—2001.11.17）獨立提出類似思想[67]，同年10月4日中國核物理學家王淦昌（1907.05.28—1998.12.10）完成《利用大能量大功率的光激射器產生中子的建議》的開創性論文（1987年才正式發表）[68]，亦獨立地提出“激光與含氘物質發生作用，使之產生中子”的激光核聚變思想。1968年巴索夫小組利用大功率激光轟擊氘化鋰（LiD）平面靶首次獲得少量熱核中子輸出。[69]直到1972年5月“氫彈之父”愛德華·特勒（Edward Teller，1908.01.15—2003.09.09）公開向心聚爆理論，激光核聚變才迅速成為各大國的重點軍事研究項目。在以放大啁啾脈沖為基礎的超大功率激光器出現后，科學家們提出了激光核聚變的新概念—快速點火。世界上規模最大、能量最高的激光聚變裝置——國家點火裝置NIF（National Ignition Facility）于2009年5月29日在勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室LLNL（Lawrence Livermore National Laboratory，1952年9月創建，由UCB負責管理，愛德華·特勒是其倡導者）舉行落成典禮。

全球最大的光纖激光器和光纖放大器制造商IPG Photonics由物理學家加蓬賽夫（Valentin Pavlovich Gapontsev，1939.02.23莫斯科—，被譽為“光纖激光器工業之父”）博士于1990年創辦并自任CEO，該跨國公司的總部現設在美國馬薩諸塞州伍斯特縣（Worcester county）牛津鎮（Oxford town）。IPG Photonics公司2002年報道：研制成功輸出功率為2 kW（其最大衍射極限輸出功率為100 W）的多模光纖激光器，可用于焊接鋁和鋼構件。該公司2009年報道：研制成功輸出功率為10 kW的單模光纖激光器，并已建立50 kW多模激光用于激光武器試驗。

1961年密歇根大學物理學家弗蘭肯（Peter Alden Franken，1928.11.10—1999.03.11，被譽為“非線性光學之父”）小組將紅寶石脈沖激光（694.3 nm）通過石英晶體，紅光變成了綠光，觀察到347.2 nm的倍頻光，這是最早發現的二階非線性光學效應（即二次諧波）和可調諧現象[70]，稍后又發現和頻現象，激光器的發明對物理學理論的最大貢獻也許就是導致非線性光學的誕生。光的倍頻、變頻和混頻都是典型的非線性光學現象。同年貝爾實驗室德國實驗物理學家凱瑟（Wolfgang Kaiser，1925.07.17—）等人利用紅寶石激光器照射摻銪離子（Eu2+）的氟化鈣（CaF2）晶體時首次發現了雙光子激射現象[71]，普里特查德小組（1974年[72]）和亨施小組（1975年[73]）各自獨立地創立了消多普勒雙光子光譜學。1962年福特汽車公司特休恩（Robert William Terhune，1926—2014.11.20）小組在方解石上觀察到紅寶石脈沖激光輻射的三次諧波[74]，1965年他及其同事保羅·麥克爾（Paul D.Maker）首次發現相干反斯托克斯拉曼光譜CARS（coherent anti-Stokes Raman spectroscopy）。[75]拉曼（1930PH）激光器是基于受激拉曼散射原理，通過它能夠得到固體激光器不能直接發射的波長。內腔式全光纖拉曼激光器是由一種單向光纖環（即環形波導腔）構成，腔內的信號是被泵浦光直接放大而無須實現粒子數反轉（QCL和OPO也無須實現粒子數反轉）。1962年休斯研究實驗室伍德伯里（Eric J.Woodbury）小組在研究以硝基苯作Q開關紅寶石激光器的克爾盒（Kerr cell）時，偶然發現了受激拉曼散射現象，由此而發明了拉曼激光器（Raman laser）。[76～77]腔中無克爾盒時，確實只有694.3 nm譜線；一旦加上硝基苯克爾盒，則另有767.0 nm譜線出現，后來證實它是硝基苯所特有的，對應于硝基苯振動躍遷的一級斯托克斯受激拉曼散射譜線。1963年湯斯小組對受激拉曼散射的物理機制和主要參量進行了深入研究。[78]電光效應分為2種：①一級電光效應：指折射率的變化與外加場強成正比（如壓電晶體等），1893年由德國晶體物理學家普克爾斯（Friedrich Carl Alwin Pockels，1865—1913）首先預期，后在石英等晶體中得到證實，故又稱普克爾斯效應（Pockels effect）。②二級電光效應（又稱二階非線性電光效應）：指折射率的變化與外加場強的平方成正比（如氣體、液體和玻璃態固體等），1875年由蘇格蘭物理學家克爾（John Kerr，FRS，1824—1907）首先在玻璃上發現，故又稱克爾電光效應或直流克爾效應，另有交流克爾效應（克爾光學效應），兩者可統稱為克爾效應（Kerr effect）。斯托克斯（Sir George Gabriel Stokes，1st Baronet，FRS，1819—1903）是英國數學家和物理學家。2004年加州大學洛杉磯分校（UCLA）電子工程師率先報道研制成功硅基拉曼激光器（硅中一階拉曼效應的波長峰值發生在1675 nm處，通過級聯的拉曼效應可將輸出波長拓展到中紅外波段），他們采用由光纖制成的8 m環形激光腔，以硅作為增益介質實現了硅基拉曼激光輸出。[79]

1961年激光器就開始面市銷售，同年11月關于激光治療的2篇論文同時發表在《科學》雜志[80～81]，當月22日紐約哥倫比亞長老會醫學中心（Columbia-Presbyterian Medical Center）哈克尼斯眼科研究所（Edward Stephen Harkness Eye Institute）將紅寶石激光器產生的激光應用于治療視網膜脫落并獲得成功[82]，這是激光首次被應用于臨床。1968年該中心埃斯佩蘭斯（Francis A.LEsperance，Jr.）醫學博士首次采用氬離子激光器完成糖尿病導致視網膜病變的異常血管修補手術。[83]激光技術還被應用于殺滅視網膜腫瘤、角膜移植和治療青光眼等。匈牙利醫生梅斯特（Endre Mester，1903—1984，被譽為“LLLT之父”）是低功率激光生物學效應的發現者和激光醫學的先驅，1967年他開始進行激光對皮膚癌影響的實驗研究，進而發明低能量激光療法LLLT（low level laser therapy）。

激光發明后科學家們就立即開始將半導體材料作為其工作物質的研究，1961年法國國家電信研究中心（CNET）伯納德（Maurice G.A.Bernard）和杜拉福格（Georges/Guillaume Duraffourg）首先提出在半導體中實現受激輻射的必要條件：對應于非平衡電子，空穴濃度的準費米能級差必須大于受激輻射能量，并建議采用III—V族化合物半導體。[84]1962年是半導體激光器突飛猛進的一年，當年GE研究實驗室、IBM托馬斯·沃森研究中心[85]和MIT林肯實驗室[86]3個研究小組幾乎同時報道研制成功在77 K液氮（沸點-195.79 ℃）低溫條件下輸出微秒（1 μs=10-6 s）級脈沖的GaAs半導體激光器，這是在光通信、光存儲和光泵浦等領域邁出的具有里程碑意義的重要一步：GE研究實驗室工程師和應用物理學家羅伯特·霍耳（Robert Noel ″Bob″ Hall，1919.12.25—）小組采用直接帶隙（理論上能高效產生受激輻射）GaAs半導體材料，利用擴散技術在GaAs內形成p-n同質結，于9月16日發明了同質結注入式GaAs半導體激光器——激光二極管（LD，0.84 μm）[87]，這是現代光電子產業的基礎。第一代LD存在很多缺陷，其實用意義并不大，但其基本理論和實踐探索對半導體激光器的發展仍具積極意義。1967年貝爾實驗室加拿大物理學家戴門特（John C.Dyment，1938.06.07—）利用Ⅱα型天然金剛石制備出用于GaAs LD散熱用的金剛石熱沉，并用該熱沉首次實現了條形雙異質結LD的室溫連續運行。[88]據筆者所知，文獻[89]中至少存在以下3個方面的錯誤：①將美國物理學會（APS）主辦的《物理評論快報》PRL（Physical Review Letters，1958年7月1日創刊）和美國物理聯合會AIP（American Institute of Physics，1931年成立，總部設在馬里蘭州College Park，出版中心現設在紐約州Melville，2010年6月17日在北京成立首個國際辦公室）主辦的《應用物理學快報》APL（Applied Physics Letters，1962年9月1日創刊）這2種不同的刊物混為一談；②表1中將第4篇文章的出版日期誤為1962年12月15日（實為同年12月1日）；③表1中誤將發光二極管（LED）當成半導體激光器看待。

1957年日本東北大學（仙臺市）物理學家和教育家西澤潤一（Jun-ichi Nishizawa，1926.09.12—）首先提出p-n結注入式半導體激光器理論并申請日本專利[90]，專利名“半導體Maser”相當于“半導體Laser”，故他是半導體激光器的先驅。1958年7月7日巴索夫小組獲得前蘇聯量子力學半導體振蕩器和電磁振蕩放大器的發明證書（No.10453，前蘇聯實行發明者證書與專利并存的雙軌制）。[91]在1959年9月紐約國際量子電子學和共振現象會議上，巴索夫從理論上提出：采用脈沖電場中電流載流子的雪崩增殖法在半導體中可實現粒子數反轉而獲得相干輻射。1960年巴索夫小組對半導體激射器從機理上進行了透徹的理論研究，提出激勵半導體激光器的3種方法：[92]①光泵浦法（用紅寶石激光激勵半導體）；②快電子束泵浦法；③應用高度摻雜簡并（doped degenerate）半導體中的p-n結，采用電流直接泵浦法以實現粒子數反轉，此方法后來被證明是成功有效的。1962年巴索夫小組制成注入式半導體激光器，次年制成強電子束激勵的半導體激光器。早期半導體激光器都是同質結型（單結型），只能在低溫下以脈沖方式運行。1963年克勒默在IEEE年會上首先提出（單）異質結半導體激光器的原理[93]，前蘇聯國家科學院列寧格勒（現圣彼得堡）約飛物理技術研究所（1918年成立）阿爾費羅夫和卡扎林諾夫（Rudolf Feodor Kazarinov，1933—）獨立地在其專利申請書中描述了同樣的原理。[94]其實質是把一個窄帶隙半導體材料夾在2個寬帶隙半導體材料之間，從窄帶隙半導體中產生高效率輻射，這個設想很大程度上取決于異質結材料的生長工藝。IBM托馬斯·沃森研究中心德國物理學家魯普雷希特（Hans Stefan Rupprecht，1930.03.19—2010.12.09）和美國發明家伍德爾（Jerry M.Woodall，1938—）小組致力于GaAlAs半導體材料的研究，他們采用液相外延LPE（liquid phase epitaxy，epitaxy又譯為“磊晶”。1963年由新澤西州普林斯頓RCA實驗室赫伯特·納爾遜發明[95]）技術在GaAs襯底上生長出鎵鋁砷（GaAlAs），1967年報道了首個實用的晶格匹配的異質結[96]，這是半導體激光器發展史上邁出的重要一步。1969年貝爾實驗室美國物理化學家潘尼希（Morton/Mort B.Panish，1929.04.08—）和日本物理學家林嚴雄（Izuo Hayashi，1922.05.01—2005.09.26）小組研制成功GaAlAs/GaAs單異質結半導體激光器SHL（single heterojunction laser），它雖可在室溫下工作，但也只能運行于脈沖方式。[97]1970年5月初阿爾費羅夫小組研制成功在室溫下輸出連續波CW（continue wave）的p-GaAs/n-Ga1-xAlxAs/p-Ga1-xAlxAs雙異質結半導體激光器DHL（double heterojunction laser，～900 nm）[98～99]，比潘尼希小組6月1日實驗成功領先不足1個月。[100]室溫下連續波半導體激光器的發明使其徹底告別了液氮溫度，其波段不斷被拓寬，線寬和調諧性能逐步提高，為實現光通信商業化鋪平了道路，是光通信發展史上的里程碑事件，在半導體激光器的發展史上亦具有跨時代的重要意義，此后半導體激光器就進入了迅猛發展時期。1975年新澤西州半導體激光實驗室（Diode Laser Labs）推出首款商業型室溫半導體激光器。1976年MIT林肯實驗室美籍華裔科學家謝肇金（James Jim Hsieh）小組研制成功1.25 μm的長波長室溫InGaAsP半導體激光器，壽命達1500 h。[101～102]

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