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(fā)明家和教育家查爾斯·湯斯是微波激射器（Maser）的主要發(fā)明者和激光器（Laser）的先驅(qū)者之一，與前蘇聯(lián)（現(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)光二極管（LED）的發(fā)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(tài)）；躍遷；受激輻射；微波波譜學；核磁共振；拉比樹；粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；微波激射器（Maser）；量子電子學；工作物質(zhì)（增益介質(zhì)）；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(wǎng)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(tài)（BEC）；發(fā)光二極管（LED）；發(fā)明專利；諾貝爾自然科學獎

3激光的發(fā)明專利權之爭

專利（patent）作為一個法律上的概念，源自英文“l(fā)etters patent”，意指由英國國王親自簽署的帶有御璽印鑒的獨占權利權證書。由于這種證書的內(nèi)容是國王授予某人對某項技術享有的獨占權，同時這種證書沒有封口，任何人都可以打開觀看，即證書中的內(nèi)容是公開的，故“壟斷”和“公開”是專利制度的兩個最基本特征。現(xiàn)主要分為發(fā)明專利、實用新型專利和工業(yè)設計專利3種類型。

1474年威尼斯共和國首先建立了近代意義上的專利法規(guī)，規(guī)定有新發(fā)明的發(fā)明人需報知共和國政府，由政府認可其發(fā)明權，以防他人竊用。

1790年4月10日美國首部專利法——《促進實用技術進步法案》（An Act to promote the Progress of Useful Arts）由喬治·華盛頓總統(tǒng)簽署頒布，同年7月31日總統(tǒng)簽署頒發(fā)了美國歷史上的首個專利，它授予發(fā)明家塞繆爾·霍普金斯（Samuel Hopkins，1743.12.09—1818），他改進了碳酸鉀和鉀肥的制造工藝。1802年美國專利局（Patent Office，時隸屬于國務院）成立，1975年更名為美國專利和商標局USPTO/PTO（The United States Patent and Trademark Office，現(xiàn)隸屬于商務部，其總部設在弗吉尼亞州亞歷山大市）。現(xiàn)行美國專利法1952年7月19日由杜魯門總統(tǒng)簽署頒布，翌年元旦起生效；1999年11月29日克林頓總統(tǒng)簽署頒布《美國發(fā)明人保護法》AIPA（American Inventors Protection Act），其中多項重要條款直接被列入現(xiàn)行專利法；2011年9月16日奧巴馬總統(tǒng)簽署對專利法進行全面修訂的《美國發(fā)明法案》AIA（Leahy-Smith America Invents Act，2013年3月16日起全面生效）。美國專利法對專利保護期的規(guī)定：①發(fā)明專利：1995年6月8日（不含）以前申請并授權的專利，自授權日起17年屆滿，此后則為自申請日起20年屆滿。②設計專利：自授權日起14年屆滿。專利保護期最多可申請延長5年。

1980年經(jīng)國務院批準成立中國專利局，1998年更名為國家知識產(chǎn)權局SIPO（Chinas State Intellectual Property Office）。《中華人民共和國專利法》于1985年4月1日開始實施，最新修訂版2008年12月27日由胡錦濤主席簽署發(fā)布，2009年10月1日起生效實施。中國專利法對專利保護期的規(guī)定：自申請日起，發(fā)明專利權期為20年，實用新型專利權和外觀設計專利權期均為10年。自1994年起，中國加入世界知識產(chǎn)權組織WIPO/法語縮寫OMPI（World Intellectual Property Organization，1970年4月26日正式成立，1974年12月17日起成為聯(lián)合國專門機構，其總部設在日內(nèi)瓦）的《專利合作條約》PCT（Patent Cooperation Treaty，1970年6月19日簽訂，1978年1月24日起生效，美國是其締約創(chuàng)始國）。

1950年代初，盡管微波激射器才剛剛興起，但已有人開始考慮在比微波波長更短的范圍內(nèi)實現(xiàn)量子放大。1951年6月18日法布里坎特等人曾向前蘇聯(lián)郵電部提交過一份利用汞蒸氣放電得到光放大的發(fā)明專利申請書（專利編號：123209，發(fā)明者證書編號：576749/26，1959年獲得批準），其主要內(nèi)容是“電磁波輻射（紫外光、可見光、紅外光和無線電）放大的一種方法，其特點是被放大的輻射通過一種介質(zhì)，用其他方法和輔助輻射使相當于激發(fā)態(tài)的高能級上的原子、其他粒子或系統(tǒng)的濃度增大而超過平衡態(tài)的濃度。”

1943年古爾德獲耶魯大學物理學（光學和光譜學方向）理學碩士學位，1949年他來到哥倫比亞大學攻讀光學和微波波譜學方面的博士學位（1949—1954年在紐約市立大學兼職助教），其博導是物理系主任庫什（1955PH22）而不是湯斯，讀博期間他在庫什手下做鉈原子束共振實驗（目的是精確測定鉈的電子磁矩并和鉀的電子磁矩做比較），起初采用熱學或放電方法激發(fā)鉈原子，多年來都未見成效，1955年拉比教授從國外帶回了法國光泵浦（當時只限于無線電和微波波段）新進展的消息，古爾德對此產(chǎn)生濃厚興趣。1957年古爾德產(chǎn)生了用光泵浦法實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的想法并首先完成可見光波段的光泵浦實驗，他設計出用法布里—珀羅干涉儀鏡片做成的諧振腔，此設想與不久后肖洛和湯斯的構思不謀而合，可以說是異曲同工。古爾德將自己的設想詳盡地記錄在筆記本上，其設計手稿至少系統(tǒng)地描述了有關光放大器（即后來的激光器）5個方面的內(nèi)容：①激光原理：激光是物質(zhì)分子受與其頻率相同的能量激發(fā)而振蕩、放大并聚合成短波的光輻射。這部分內(nèi)容后反映在肖洛和湯斯的專利US2929922中。②激光器原理及其內(nèi)部結構：制作一個長圓筒形光諧振腔，兩端設置反射鏡，其中一端設有泄光孔（涉及布魯斯特角窗，其目的在于降低反射損耗）。往諧振腔內(nèi)放入工作物質(zhì)，通過光泵浦電子，激發(fā)工作物質(zhì)的原子振蕩、放大并聚合，然后物質(zhì)光粒子從泄光孔射出窄幅強烈光束。諧振腔部分后演化為專利US4746201。③最早提出Q開關技術，可使激光超強脈沖聚合，以產(chǎn)生巨脈沖高能激光。即赫爾沃斯的專利US3928815（因古爾德堅持自己的優(yōu)先權而導致該專利延遲很長時間才被批準）。④首倡采用氣態(tài)物質(zhì)作為激光介質(zhì)。這部分內(nèi)容后反映在專利US4704583中（此時相關專利US3149290的保護期已屆滿）。⑤設計出光學（氣態(tài)）加注放大器（又稱光學加注振蕩器，即光泵浦氣體放大器），即專利US4053845（此時相關專利US2929922的保護期剛好已屆滿）。上述內(nèi)容構成了激光器的雛形。同年10月湯斯請古爾德到其辦公室詢問了有關鉈原子燈的新進展，從而他意識到湯斯正在進行類似工作而引起警覺。為此11月13日古爾德來到紐約市布朗克斯區(qū)住所附近的一家糖果雜貨店，請店主作為公證人將其設計手稿（共9頁，湯斯及另一位同行此前在此手稿上作為見證人已簽字）公證簽封（手續(xù)費5美元）。庫什不同意以激光研究代替原來“原子束共振”的博士論文，1958年3月古爾德憤而離開哥倫比亞大學并放棄攻讀博士學位，來到私人TRG公司[古爾德于1967年離開，1967—1973年任布魯克林理工學院（現(xiàn)紐約大學理工學院）教授，1973—1985年任職于光通信（Optelecom）公司]工作繼續(xù)從事激光研究。[1～3]1959年4月6日他提出的一系列激光專利申請（包括56項專利要求，其中要點有：①提出許多活性材料及其激勵方法，詳細探討了鈉蒸氣激光器，類似于肖洛和湯斯的鉀蒸氣激光器，但古爾德采用的是以電子放電為基礎的新激勵方法；②詳細探討了原子碰撞激勵法并由此提出實現(xiàn)氦氖激光器的可能性；③設計出獨特的光諧振腔；④采用克爾盒作調(diào)制器，首倡Q開關技術；⑤詳細描述了諧振和非諧振的光放大器結構；⑥設想出激光器將來的多種用途，這部分內(nèi)容后反映在專利US4161436中。此申請書原文長約140頁，1968年才允許公布于世[4]）被拒，1962年TRG公司研發(fā)出光泵浦氦銫激光器[5]，因性能差而沒有什么實用價值。

激光的專利權之爭歷時近30年，漫長而曲折，是專利權爭奪戰(zhàn)中最著名的經(jīng)典案例。古爾德主要因以下原因而導致其激光專利申請和訴訟屢屢受阻：①未正式發(fā)表其激光理論。②對專利法缺乏了解：他咨詢的青年律師很不專業(yè)，亦無經(jīng)驗，誤導他應將其設想付諸實踐才能申請專利，這就為后來的激光專利權之爭埋下了導火索。③政治和保密方面的原因：1944年3月至1945年1月他為哈曼頓計劃工作，因曾加入過美國共產(chǎn)黨（1919年9月1日成立，1944年5月解散，另立非黨組織共產(chǎn)主義政治協(xié)會，1945年重建）而被曼哈頓計劃解雇。1959年初TRG公司利用古爾德1958年12月修訂后的第二份設計手稿申請到國防部高級研究計劃局DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）資助99.9萬美元（申請資金只有30萬美元）的“激光用于雷達、測距和通信系統(tǒng)”課題，因國防部對此課題研究人員要進行保密政審，古爾德因曾經(jīng)的美國共產(chǎn)黨黨員身份而被禁止直接參與該課題的研究，只能當掛名顧問。④受早期激光專利擁有者、激光制造商和應用商大機構（如貝爾實驗室、休斯研究實驗室、西屋電氣公司和通用汽車公司等）的阻擊。訴訟初期，古爾德（1962首次為國家專利局的“專利抵觸程序”出庭作證）陣營處處被動，屢屢敗北，1968年才獲得其第1個美國激光專利[6]，但影響很小。1970年古爾德以1000美元現(xiàn)金外加未來專利收益的10%從對激光業(yè)務興趣不大的控制數(shù)據(jù)公司手中買回自己的專利權（主要是第二份設計手稿）。因資金窘迫，1974年古爾德與紐約里法克技術發(fā)展公司（Refac Technology Development Corp.，即現(xiàn)在所謂的風險投資公司）簽署協(xié)議（專利費收益對半分配），讓里法克全權代理其激光專利申請和訴訟事宜，專利局把他的激光專利申請分拆為6項（表1中的4項和另外2種類型的激光應用）。經(jīng)不懈努力，1977年古爾德終于獲得其第1個有影響的美國激光專利（即US4053845），1979年古爾德及其出資者共同組建Patlex公司（古爾德只占20%的股份），主要進行有關激光發(fā)明專利權的訴訟和洽談專利費的收取事宜。古爾德團隊步步為營，以通用光子公司和控制激光公司為突破口，最終在激光發(fā)明專利權的爭奪戰(zhàn)中贏得部分勝利，他總計共獲得48項激光發(fā)明專利（其中有影響的美國專利4項）。

主要因激光方面的發(fā)明而入選美國國家發(fā)明家名人堂（NIHF）的美國發(fā)明專利見表1。

注1：美國國家發(fā)明家名人堂NIHF（National Inventors Hall of Fame）：1973年由時任專利法協(xié)會全國理事會（National Council of Patent Law Associations，現(xiàn)稱National Council of Intellectual Property Law Associations）主席的馬修斯先生（H.Hume Mathews）倡議創(chuàng)辦，次年由美國專利局（現(xiàn)USPTO）接手，其總部設在俄亥俄州北坎頓市（North Canton），堂址原設在俄亥俄州阿克倫市（Akron），2008年起遷至USPTO總部所在地——弗吉尼亞州亞歷山大市（Alexandria city）。入選者不限國籍，已故發(fā)明家可入選，但入選者名下必須擁有美國專利（極個別很早就逝世者除外）。1973年首屆唯一入選者是著名發(fā)明家愛迪生[US0223898，1880.01.27/1879.11.04，電燈（electric lamp）]，瑞典工業(yè)化學家、國際實業(yè)家和諾貝爾獎創(chuàng)始人阿爾弗雷德·諾貝爾[US0078317，1868.05.26，黃色安全炸藥（dynamite，即達納炸藥）]于1998年入選。出生最早者是2006年入選的美國鐘表匠、工程師和企業(yè)家約翰·菲奇（John Fitch，1743.01.21—1798.07.02），他是美國蒸汽輪船（1787.08.22）的發(fā)明者。最早入選的女性是1991年入選的美國生物化學家和藥理學家伊萊昂（1988PM32，US2884667，1959.05.05/1955.06.20，抗白血病藥物2-amino-6-mercaptopurine）。截至2015年年底，獲此榮譽者共計516人，其中女性28人。

注2：1958年肖洛和湯斯決定將自己的理論分析寫成論文（即《紅外區(qū)和光激射器》）并申請發(fā)明專利，貝爾實驗室專利辦公室負責人竟然認為光對通信不會有什么重要性，也不涉及貝爾實驗室的利益，故起初拒絕，后在肖洛和湯斯的堅持下才同意提出申請，該專利的核心內(nèi)容是采用光諧振腔來實現(xiàn)光放大和光泵浦（當時的一項新興技術）。

注3：該專利的優(yōu)先權日是1961年4月13日。優(yōu)先權日是指專利權人首次提出專利申請的日期，包括他/她在其他《專利合作條約》締約國對同一專利提出的申請。

注4：該專利申請公開了光放大器裝置及其應用，一種光放大器采用光泵浦實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，另一種光放大器采用與其他粒子碰撞實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。該產(chǎn)品覆蓋各種激光的應用，包括制造高溫、蒸發(fā)材料、機械加工、測距、通信系統(tǒng)、電視、激光影印機、激光核聚變和其他光化學應用，甚至已考慮到用于產(chǎn)生X射線。

注5：布魯斯特角（又稱偏振角）是指自然光經(jīng)電介質(zhì)界面反射后，反射光為線偏振光所應滿足的條件。1815年首先由蘇格蘭物理學家、數(shù)學家、天文學家和歷史學家布魯斯特（Sir David Brewster，KH，PRSE，F(xiàn)RS，F(xiàn)SA，F(xiàn)SSA，MICE，1781.12.11—1868.02.10）發(fā)現(xiàn)。

注6：為紀念美國國際商業(yè)機器公司IBM（International Business Machines，成立于1911年6月16日）創(chuàng)建100周年，美國著名IT網(wǎng)站eWeek于2011年評選出IBM公司百年來十大高科技創(chuàng)新發(fā)明（均獲美國發(fā)明專利），該專利（US4784135）名列第五（按時間先后排序），它是日后激光眼科手術的基礎。1980年美國籍印度裔化學家和物理學家斯瑞瓦薩利用紫外準分子激光發(fā)明光解剝離APD（ablative photo-decomposition）技術，從而成為準分子激光原位角膜磨鑲術LASIK（Laser-assisted in situ keratomileusis，俗稱激光眼科手術或激光視力矯正）的先驅(qū)。LASIK是一種通過準分子激光改變眼角膜的弧度，以校正近視和散光的手術，這種手術方法于1995年獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的批準。目前LASIK采用的主要是ArF氣體準分子激光（193 nm）。美國LaserSight公司旅美臺灣物理學家林瑞騰（Jui-Teng Lin）在其美國專利中首次提出以213 nm固體激光替代有毒氣體ArF準分子激光：US5520679，采用非接觸掃描激光的眼科手術方法（Ophthalmic surgery method using non-contact scanning laser），申請日：1994.03.25，公開日：1996.05.28。

4激光之父湯斯的主要學術成就與貢獻

湯斯教授是Maser的主要發(fā)明者和Laser的先驅(qū)者之一，高分辨率微波波譜學（可用于詳細考察分子和原子核的結構）的創(chuàng)始人和量子電子學的奠基者之一，將Maser/Laser技術應用于天文探測的先驅(qū)，因?qū)π请H分子方面的開創(chuàng)性研究而成為分子天文學（molecular astronomy，按照國內(nèi)現(xiàn)在的規(guī)范稱呼，這門學科被稱為分子天體物理學）的開拓者。文中前后已述及的內(nèi)容在此不贅述。湯斯的研究領域還涉及原子鐘、相對論、非線性光學效應和射電天文學（射電天體物理學）等，在應用干涉調(diào)頻技術進行紅外波段的高角度分辨率（high angular resolution）天文學研究方面作出較大貢獻。[7～8]晚年醉心于紅外天文學（紅外天體物理學）的研究以及探索科學與宗教的融合。湯斯的科研原創(chuàng)精神和領導組織能力得到世界科技界的廣泛認可和贊賞。

有據(jù)可查的湯斯最早發(fā)表的學術論文是1938年的《無油脂真空管》。[9]1940年代末，核四極矩NQM（nuclear quadrupole moment）研究是當時的一個熱門課題，湯斯報道了大量的核四極矩耦合常數(shù)并以分子光譜理論予以解釋。1948年初他和貝爾實驗室同事巴丁合作發(fā)表分子中核四極矩效應計算方面的論文[10]，1949年他和哥倫比亞大學化學系同事戴利（Benjamin P.Dailey）首創(chuàng)NQR方面的湯斯—戴利理論（Townes-Dailey theory），給出了分子超精細效應的解釋。[11]同年美國物理學家沃爾特·奈特（Walter David Knight，1919.10.14—2000.06.28）發(fā)現(xiàn)了金屬磁共振中的奈特位移（Knight shift）機制[12]，湯斯指出該位移可能是來自導電電子的順磁影響，根據(jù)其理論計算出來的順磁效應果然與實驗結果相吻合。[13]

雷達技術涉及微波的發(fā)射和接收，其核心部件是微波振蕩器。1940年代雷達技術的發(fā)展促進了微波技術應用于微波與分子相互作用的研究。“二戰(zhàn)”期間湯斯在貝爾實驗室從事雷達方面的設計研究，戰(zhàn)后不久他就決定從工程界（雷達系統(tǒng)工程師）轉(zhuǎn)向自己早已心儀的實驗和理論物理學研究，對利用微波波譜學和分子共振法來探測氣體分子能譜深感興趣。由拉比教授推薦到知名的哥倫比亞大學物理系執(zhí)教，期間應軍方邀請開始致力于提高雷達工作頻率的研究，因此他很快就成為微波波譜學方面的權威專家。

1952年湯斯小組發(fā)表《毫米波磁控管諧波》一文[14]，這是非線性光學方面的早期論文。首臺Maser實驗成功前3個月，拉比和庫什教授曾試圖勸阻湯斯的進一步研究，他倆說這個方案行不通，不必在這方面浪費時間和金錢，湯斯不為所動且倍加努力地工作，堅持自己的研究方向而最終取得巨大成功。1959年龐德及其博士生瑞貝卡（Glen Anderson Rebka，Jr.，1931—）利用剛發(fā)現(xiàn)不久的穆斯堡爾效應[15]首次在地面上定量地驗證了廣義相對論所預言的引力紅移。[16]1958年（首次完成近代版的邁克耳孫—莫雷實驗）和1964年湯斯小組利用Maser的相干性，2次以10-7的相對誤差絕對值（1973年時已優(yōu)于10-10，2009年時已優(yōu)于10-17）驗證了邁克耳孫（1907PH）—莫雷實驗（Michelson-Morley experiment，1887年于俄亥俄州克利夫蘭，企圖驗證以太存在的著名光學實驗，由此發(fā)現(xiàn)了極為重要的狹義相對論的基本原理——光速不變原理）。[17～18]這兩個方面的實驗從不同角度驗證了愛因斯坦的相對論。

美國通信工程師和科幻小說家皮爾斯（John Robinson Pierce，1910.03.37—2002.04.02）從1954年起就開始研究衛(wèi)星通信系統(tǒng)，1955年他在美國火箭協(xié)會主辦的《噴氣推進》雜志發(fā)表論文《軌道無線電中繼系統(tǒng)》，論證衛(wèi)星通信所需要的功率，故被譽為“衛(wèi)星通信之父”，他還是“晶體管”（transistor）的命名者。1960年8月12日美國“回聲I號”（Echo I）衛(wèi)星發(fā)射升空，這是人類發(fā)射的首顆試驗型無源通信衛(wèi)星（既無電源，又無任何電子設備和儀器，實際上是一個直徑30 m的氣球式衛(wèi)星）。時任貝爾實驗室通信研究室主任的皮爾斯是這顆通信衛(wèi)星的主要設計者之一，他利用固體Maser放大了“回聲I號”衛(wèi)星發(fā)射到金星后又反射回來的幾乎消失殆盡的微弱信號，這是宇宙通信的開端。

星際物質(zhì)ISM（interstellar matter）是指銀河系和其他星系內(nèi)恒星之間的物質(zhì)，包括星際氣體、星際塵埃和各種各樣的星際云（interstellar cloud，分子云是其中的一種），有時還包括星際磁場和宇宙射線。星際分子（interstellar molecule）是指自然存在于星際空間氣體塵埃云（即星際云）內(nèi)的無機分子或有機分子。星際分子譜線通常產(chǎn)生于轉(zhuǎn)動能級之間的躍遷，波長處于毫米波或亞毫米波段，主要通過這些射電波段特定波長的發(fā)射譜線和吸收譜線來探測。利用光譜學方法，星際分子甲川基（CH，1937年）、氰基（CN，1939年）和甲川正離子（CH+，1939年）首先被發(fā)現(xiàn)，但限于當時的觀測條件，這些發(fā)現(xiàn)并未受到重視。湯斯在微波波譜學方面的造詣很深，1950年代中后期他將目光轉(zhuǎn)向天文學方面的研究，提出利用微波波譜檢測法可以探測到星際介質(zhì)中的分子，預言星際空間存在著大量穩(wěn)定的星際分子，并計算出這些分子躍遷的射電頻率。1954年他就提出可以尋找羥基自由基（OH）的微波譜線，哥倫比亞大學湯斯小組在地面實驗室測得OH的2條主吸收譜線是1665.46 MHz和1667.34 MHz。1957年湯斯根據(jù)理論計算列出17種可能觀測到的星際分子及其頻率并提出探測它們的方法[19]，不久后大多被陸續(xù)證實。1963年10月15日MIT博士生韋雷伯（Sander Weinreb，1936.12.09—）和美國射電天體物理學家巴雷特（Alan Hildreth Barrett，1927.06.07—1991.07.03）等人利用射電望遠鏡果然在來自仙后座A射電源的輻射里找到了羥基的2條主吸收譜線[20]，這是首次在射電波段探測到星際分子的微波波譜，標志著分子天體物理學（微波波譜學則是孕育其誕生的“母科學”之一）的誕生，揭開了陸續(xù)發(fā)現(xiàn)星際分子的序幕。1968年和1969年華裔科學家張熾堂（Albert Chi-Tong Cheung，后供職于香港城市大學）和湯斯等人在銀河系中心首先分別探測到穩(wěn)定的氨（NH3）和水（H2O）星際分子[21～22]，1969年首個星際有機分子甲醛（H2CO）被發(fā)現(xiàn)，因構成生命物質(zhì)基礎的蛋白質(zhì)（其主要成分是氨基酸分子）就是一種有機分子，故其意義十分重大。[23]迄今科學家們已發(fā)現(xiàn)確認的星際分子共有150余種（不包括同位素）。星際分子的發(fā)現(xiàn)有助于幫助人類了解星云（nebula）和恒星的演變過程，是當今天文學分支——星際化學的基礎，星際分子的研究是天體演化、生命起源和物質(zhì)結構三大基礎理論研究的一個重要交叉點。

1985年湯斯小組首先觀測并闡明了銀河系中心的質(zhì)量分布[24]，其實質(zhì)是發(fā)現(xiàn)了一個黑洞（black hole）。銀河系中心人馬座A、天鵝座X-1和超新星SN 1979C等是著名的黑洞候選者。湯斯還是1990年4月24日發(fā)射升空的哈勃空間望遠鏡HST（Hubble Space Telescope）設計制造的關鍵人物之一。

湯斯教授作為發(fā)明家共獲得13項美國發(fā)明專利，見表2。

注1：美國電氣工程師達林頓（Sidney Darlington，1906.07.18—1997.10.31）以1953年發(fā)明達林頓晶體管（美國專利US2663806）而聞名，1945年獲總統(tǒng)自由勛章；伍德里奇（Dean Everett Wooldridge，1913.05.30—2006.09.20）是美國航天航空業(yè)界的杰出工程師。

注2：美國女物理學家加邁爾（Elsa M.Garmire，1939.11.09—）于1993年出任美國光學學會會長；斯托依切夫（Boris Peter Stoicheff，1924.06.01馬其頓比托拉—2010.04.15多倫多）是加拿大物理學家。

湯斯教授作為知名教育家，他指導的著名博士生主要有：①美國籍伊朗裔物理學家賈范：赴美前他完全不懂英語，在已移居紐約的姐姐幫助下，1948年來到美國，奮發(fā)自學，1949年被特許入學（當時美國絕大多數(shù)高等院校需要擁有本科及以上畢業(yè)文憑才能攻讀博士學位，但哥倫比亞大學并無此規(guī)定，只要通過其嚴格的入學考試即可），1954年獲哥倫比亞大學物理學PhD（像他這樣既無學士又無碩士學位者，直接就獲得世界一流大學的博士學位，比較罕見，李政道的經(jīng)歷和他類似），1960年發(fā)明世界上首臺可連續(xù)輸出激光束的氦氖激光器，1964年晉升為MIT物理學教授。②美國物理學家詹姆斯·戈登：1955年獲哥倫比亞大學物理學PhD，以Maser的研究作為博士學位論文，Maser的主要發(fā)明者之一。③美國籍德國裔射電天體物理學家彭齊亞斯（1978PH32）：1962年（前一年寫完論文）獲哥倫比亞大學物理學PhD[25]，其博士論文涉及為射電天文實驗室研制一種Maser，以觀測星際中最豐富的中性氫原子的一條波長為21 cm的譜線。1964年彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜（1978PH33）利用Maser作為放大器在7.35 cm的波長上偶然觀察到宇宙空間的各向同性輻射，即約3 K宇宙微波背景CMB（cosmic microwave background，舊稱宇宙微波背景輻射CMBR=CMB radiation，如今的準確值是2.72548±0.00057 K）[26]，從而證實了現(xiàn)代宇宙學關于宇宙起源的大爆炸理論（Big Bang theory）[27]，大爆炸宇宙模型現(xiàn)稱標準宇宙模型。美國天體物理學家和宇宙學家斯穆特（2006PH22）將CMB說成是“上帝的手跡”。④美籍華裔量子物理學家趙雷蒙（Raymond Y.Chiao，1940.10.09香港—）：1947年移居美國，1965年獲MIT物理學PhD，其博士論文是關于受激布里淵散射方面的研究，1993年和拉姆齊分享愛因斯坦激光科學獎（Einstein Prize for Laser Science）[28]，該獎由原光學和量子電子學會（Society for Optical and Quantum Electronics）創(chuàng)設并得到柯達公司贊助，1988—1996年在激光與應用國際會議（Lasers88～Lasers96）上頒發(fā)，每年頒獎一次（1994年未頒獎），每屆獲獎者2人（1989年只有1人），共計15人（文獻[29]中的13人有誤）獲獎[30]，其中諾物獎得主7人：阿羅什（1988年）、約翰·霍爾和拉姆（1992年）、拉姆齊（1993年）、亨施和卡爾·維曼（1995年）、維因蘭德（1996年）。⑤美國物理學家羅伯特·博伊德（Robert William Boyd，1948.03.08—）：1977年獲UCB物理學PhD，其博士論文是關于非線性光學技術在天文學紅外探測方面的應用。

湯斯一生共發(fā)表過400余篇學術論文，其主要著作有權威專著（教科書）《微波波譜學》（與肖洛合著，Microwave Spectroscopy，1955年，紐約市McGraw-Hill）、《維納斯：探測的戰(zhàn)略》（Venus：Strategy for Exploration，1970年，華盛頓美國國家科學院）以及2本回憶錄《創(chuàng)造波浪》[31]（Making Waves，1995年，紐約州Woodbury：美國物理聯(lián)合會出版社）和《激光如何偶然發(fā)現(xiàn)：一名科學家的探險歷程》[32]（How the Laser Happened：Adventures of a Scientist，1999.04.08，紐約市：牛津大學出版社）等。

5激光技術與諾貝爾自然科學獎

諾貝爾物理學獎、化學獎、生理學或醫(yī)學獎、文學獎與和平獎始頒于1901年，由瑞典國家銀行出資增設的紀念阿爾弗雷德·諾貝爾經(jīng)濟學獎則始頒于1969年。截至2015年年底，共有870人874人次贏得諾獎（其中諾物獎得主是200人201人次），另有23個組織機構在24個年度內(nèi)26次榮獲諾和獎。[33～34]諾貝爾自然科學獎中與激光技術密切相關（LED并非激光器，但它是伴隨著對LD的研究而發(fā)明的）的有關情況見表3。激光技術、X射線和磁共振技術是獲得諾貝爾自然科學獎最多的幾個科學專題。[35～37]

注1：符號“●”表示該諾獎得主獲得 1/2單項諾獎獎金，其他2人各獲1/4獎金。

注2：1958—1964年湯斯連續(xù)7年共獲得73人次諾物獎提名（3/4/23/14/18/29），湯斯作為提名人唯一的1次諾獎提名發(fā)生在1956年度（編號：60-0）[39～40]，當時他提名巴丁、布拉頓和肖克利為諾物獎，當年恰好是這3人獲獎。1964年當年每項諾獎獎金總額為27.30萬瑞典克朗（比上一年度增加0.8萬SEK，當時約合5.46萬美元，其價值只相當于1901年的33.01%）。湯斯是諾物獎歷史上的第81位得主，諾獎歷史上的第346位得主。12月10日湯斯出席了在斯德哥爾摩音樂廳舉辦的傳統(tǒng)頒獎典禮，物理學獎由隆德大學物理學家（光譜學家）和天文學家、時任物理學諾貝爾委員會委員的埃德倫（Bengt Edlén，1906.11.02—1993.02.10）教授致頒獎辭（Award Ceremony Speech）。在當晚傳統(tǒng)的諾貝爾晚宴上，湯斯教授發(fā)表了晚宴致辭（Banquet Speech）。在諾獎官網(wǎng)上，湯斯、巴索夫、普羅霍羅夫、布洛姆伯根和肖洛所屬研究領域（大類）都被列為光學物理學（optical physics）和量子電動力學QED（quantum electrodynamics）。1957年諾物獎得主楊振寧和李政道是1962年以前現(xiàn)健在諾獎得主中碩果僅存的兩位。[41～42]

注3：1946—1947年布洛姆伯根師從哈佛大學珀塞爾教授開始從事核磁共振方面的研究，他對弛豫過程的研究很出色，是首位精確測量弛豫時間的科學家。[43]布洛姆伯根的博導是珀塞爾教授，1948年他將論文《核磁弛豫》（Nuclear Magnetic Relaxation）提交給荷蘭萊頓大學而獲該大學物理學PhD。1962年布洛姆伯根等人首先提出了實現(xiàn)高效非線性頻率變換的準相位匹配QPM（quasi-phase matching）理論[44]，1965年布洛姆伯根出版其經(jīng)典專著《非線性光學》（Nonlinear Optics，紐約版），他因?qū)Ψ蔷€性光學理論和非線性光學頻率變換的開創(chuàng)性工作而被公認為非線性光學奠基人。非線性光學是光學的一門分支學科，非線性光學效應主要有二階非線性光學效應，如二次諧波產(chǎn)生SHG（second harmonic generation，即倍頻）、和頻SFG（sum frequency generation）、差頻DFG（difference frequency generation）、光學參量產(chǎn)生器和放大器OPG/OPA（optical parametric generator/amplifier）以及光學參量振蕩器OPO（optical parametric oscillator，1965年）等；三階非線性光學效應，如三次諧波產(chǎn)生THG（third harmonic generation）和雙光子吸收TPA（two-photon absorption）等；非線性光散射效應，如受激拉曼散射SRS（stimulated Raman scattering，1928年印度物理學家拉曼首先發(fā)現(xiàn)拉曼散射，又稱拉曼效應）、受激布里淵散射SBS（stimulated Brillouin scattering，1922年法國物理學家萊昂·布里淵首先發(fā)現(xiàn)布里淵散射）和受激瑞利散射（stimulated Rayleigh scattering，1871年英國物理學家瑞利首先發(fā)現(xiàn)瑞利散射）等[45]，此外還有高次諧波產(chǎn)生HHG（high harmonic generation）、光折變效應、自聚焦（self-focusing，M.J.Hercher，1964年）、自發(fā)參量熒光（spontaneous parametric fluorescence，S.A.Akhmanov，1967年）、光學相位共軛（optical phase conjugation，Boris Ya.Zeldovich，1972年）和光學雙穩(wěn)態(tài)（optical bistability，H.M.Gibbs，1976年）等。非線性光學的發(fā)展離不開非線性材料的開發(fā)和非線性光學技術的研發(fā)。中國非線性晶體的研發(fā)具有國際一流水平，其中三硼酸鋰LBO（LiB3O5）和β相偏硼酸鋇BBO（β-BaB2O4）晶體享譽世界，用于深紫外倍頻的氟硼鈹酸鉀KBBF（KBe2BO3F2）晶體更是領先于國際非線性光學晶體同行。

注4：激光光譜學（laser spectroscopy）是指以激光為光源的一個光譜學分支，其研究方法主要有激光吸收光譜、激光發(fā)射光譜、激光熒光光譜、激光拉曼光譜、激光光聲光譜、激光磁共振光譜、激光斯塔克光譜和非線性激光光譜等。1970年代肖洛和亨施在斯坦福大學物理系領導一個激光光譜學研究小組，對非線性光學和高分辨率激光光譜學的研究作出重大貢獻，他們所創(chuàng)造的激光光譜學方法主要有：飽和吸收光譜（1971年）、內(nèi)調(diào)制熒光光譜（1972年）、雙光子光譜（1974年）、激光標識光譜（1976年）、偏振光譜（1976年）、兩步偏振標識光譜（1979年）、光電流光譜（1979年）和偏振內(nèi)調(diào)制激勵光譜（1981年）等。

注5：國家標準和技術研究所NIST（National Institute of Standards and Technology）原名國家標準局NBS（National Bureau of Standards），1901年成立，1988年起更為現(xiàn)名，又稱國家計量研究所NMI（National Metrological Institute），其總部設在馬里蘭州蓋瑟斯堡市（City of Gaithersburg），是一個直屬商務部的非監(jiān)管機構。

注6：超快激光光譜學（ultrafast laser spectroscopy）有時又稱為超高時間分辨率光譜學（ultrahigh time-resolution spectroscopy），它仍在迅速發(fā)展中。泵浦—探測技術（pump-probe technique）是超快激光光譜學中的典型技術，澤維爾首次應用飛秒泵浦—探測技術對化學鍵斷裂過程進行實時觀測獲得成功。他使用超短激光脈沖技術和分子束技術研究超快化學反應，1990年首次研制出一種飛秒級分子“照相機”，它能以飛秒級時間尺度實時觀察分子運動并目擊分子的誕生[46]，開創(chuàng)了飛秒化學（femtochemistry）研究新領域，他還利用激光的相干特性控制了化學反應的產(chǎn)率，在化學（反應）動力學領域作出杰出貢獻。[47]

注7：通常稱給樣品較大能量的電離法為硬電離，如電子轟擊電離法EI（electron impact ionization）；給樣品較小能量的電離法則稱為軟電離（如ESI和SLD），后者適用于易破裂或易電離的樣品，它不會破壞化學鍵，易得到準分子離子峰，而前者一般只能得到碎片離子。芬恩（2002CH32）于1984—1989年發(fā)明了電噴霧電離法ESI，在此基礎上后來又陸續(xù)發(fā)展出解吸電噴霧電離法DSEI（desorption ESI）和電噴霧萃取電離法EESI（extractive ESI）。田中耕一于1985—1988年發(fā)明了軟激光解吸電離法SLD（soft laser desorption）[48]，2位德國科學家獨立發(fā)明用煙酸（nicotinic acid）為介質(zhì)的更為簡單高效的LDI技術新方法——基質(zhì)輔助激光解吸/電離法（MALDI）僅比田中耕一晚2個月發(fā)表。[49]田中耕一只是一名普通的企業(yè)研發(fā)工程師，在大學本科畢業(yè)后2年多就取得重大科技突破并申請日本專利[50]，獲諾獎時他竟然是“五無”（無研究生學歷、無海外留學經(jīng)歷、無高級技術職稱、無行政管理職務、無SCI論文），其獲獎經(jīng)歷富有傳奇性，是科學界近來最具典型代表性的勵志范例。目前蛋白質(zhì)序列的質(zhì)譜分析方法主要有以下2種：基質(zhì)輔助激光解吸/電離飛行時間質(zhì)譜法MALDI-TOFMS（matrix-assisted laser desorption/ionization-time of flight mass spectrometry）和電噴霧電離串聯(lián)質(zhì)譜法ESI-tandem MS（electrospray ionization-tandem mass spectrometry，又稱ESI-MS-MS法），它們都屬于新型高效的軟電離生物質(zhì)譜法。

注8：1963年格勞伯將量子理論引入光學討論而創(chuàng)建了光的相干性量子理論[51～53]，成功地解釋了天文觀測中出現(xiàn)的光子聚集現(xiàn)象（即從熱源發(fā)射的光子在穿越地球后是如何出現(xiàn)相干的），也解釋了電燈這類熱光源發(fā)射的漫射光（非相干光）與激光發(fā)射的聚集強光（相干光）之間的本質(zhì)區(qū)別，還加深了人們對光的量子噪聲的進一步認識，其先驅(qū)性工作奠定了現(xiàn)代量子光學（quantum optics）理論的基礎。[54]現(xiàn)代量子光學是基于量子理論研究光的相干性和統(tǒng)計性，以及光和物質(zhì)相互作用的量子性質(zhì)的一個光學分支。

注9：依賴于1997年諾物獎得主所取得的激光冷卻和俘獲原子的開創(chuàng)性研究成果，實現(xiàn)單原子測量和操控才成為可能。2012年諾物獎得主的成就是突破了薛定諤貓的束縛，能夠捕捉到單個微觀粒子并加以測量和操控，阿羅什的主要貢獻是利用微波腔非破壞地測量單個光子[55]，維因蘭德則是利用離子阱（發(fā)明并發(fā)展離子阱技術的沃爾夫?qū)けＡ_和德默爾特是1989年諾物獎得主）俘獲并操控單個離子。1996年阿羅什小組首次實現(xiàn)腔場薛定諤貓態(tài)（即相干態(tài)的相干疊加態(tài)）[56]，次年首次實現(xiàn)原子糾纏態(tài)。[57]1989年維因蘭德小組首次實現(xiàn)將單個離子冷卻到其質(zhì)心運動基態(tài)[58]，處在量子化狀態(tài)的超冷離子呈現(xiàn)出明顯的非經(jīng)典性質(zhì)，由此可以驗證量子力學的基本理論并揭示微觀世界的新現(xiàn)象；1995年利用冷卻到零點能的單個鈹離子（Be+）成功地演示了量子邏輯門；[59]1996年利用激光脈沖制備了幾個離子體系的薛定諤貓態(tài)；[60]1998年實現(xiàn)了2個超冷離子的單重和三重貝爾糾纏態(tài)。[61]量子糾纏起源于由愛因斯坦等人開創(chuàng)的EPR悖論，約翰·貝爾（John Stewart Bell，F(xiàn)RS，1928.06.28—1990.10.01）是英國北愛爾蘭物理學家，因在量子物理學隱變量理論和EPR悖論方面提出貝爾定理和貝爾不等式而聞名。潘建偉團隊自2004年起一直保持著糾纏光子數(shù)的世界紀錄，于2004/2007/2012年（正式發(fā)表論文年份）分別實現(xiàn)5/6/8光子糾纏，8光子糾纏至今仍是世界最高紀錄。每增加1個糾纏光子，光學干涉系統(tǒng)就要復雜1倍，產(chǎn)生糾纏的難度則隨光子數(shù)增加而呈指數(shù)上升。“中科大成功制備八光子糾纏態(tài)，刷新世界紀錄”成為“隆力奇杯”2011年國內(nèi)十大科技新聞（《科技日報》主辦）之第十（按發(fā)生時間排序）。“多光子糾纏及干涉度量”（完成人：中國科學技術大學潘建偉、彭承志、陳宇翱、陸朝陽和陳增兵）項目榮獲2015年度中國國家自然科學獎一等獎。

注10：1969年RCA實驗室馬魯斯卡和蒂提恩（James J.Tietjen，時任RCA實驗室主任）首次采用氫化物氣相外延HVPE（hydride vapour phase epitaxy）法在藍寶石襯底上成功制備出GaN單晶薄膜。[62]1973年松下電器公司東京研究所（即后來的松下技研）赤崎勇正式開始GaN類藍色發(fā)光器件的基礎性研究，其目標是實現(xiàn)p型半導體，以研制出高亮度的藍色LED和藍色半導體激光器。赤崎勇小組于1974年采用MBE法以及1978年采用MBE法和HVPE法并用制備GaN單晶薄膜，效果均不理想。1982年天野浩（1989年獲名古屋大學工學博士學位，其博導是赤崎勇）加入赤崎勇研究小組[63]，1985年他們采用MOCVD法[1977年由羅克韋爾國際公司的美國電氣工程師拉塞爾·杜普伊斯（Russell Dean Dupuis，1947.07.09—）和達普克斯（Paul Daniel Dapkus）共同發(fā)明[64]]以低溫沉積緩沖層技術首次成功制造出表面均勻取向非常好的高品質(zhì)GaN單晶薄膜[65]，開啟了實用型藍色LED的發(fā)展歷程。1989年他們采用摻Mg工藝在GaN中實現(xiàn)了p型摻雜（后來中村修二采用更為簡便的方法實現(xiàn)p型摻雜），解決了藍色LED的p極材料的導電性問題，取得重大技術突破；[66]1991年首次實現(xiàn)了GaN p-n結[67]，為利用GaN研制藍色LED奠定了堅實基礎；1992年終于研制成功GaN p-n同質(zhì)結紫外/藍光LED，在藍寶石襯底上錯位生長，其光效達1.5%。[68]2015年3月天野浩教授在接受采訪時表示，計劃推動有關LED技術應用于醫(yī)療領域（如銀屑病和白癜風等皮膚病）的研究。

注11：1994年中村修二以《InGaN高亮度藍色LED的相關研究》獲日本徳島大學（University of Tokushima）電氣工程學論文博士學位，2015年因?qū)＠鸘S5290393[69]而被載入美國國家發(fā)明家名人堂。文獻[70]重點介紹了UCSB美籍華裔校長（任期始于1994年）楊祖佑（Henry Tzu-Yow Yang，1940.11.29重慶—）多次遠赴日本力聘中村修二教授之事，并說“2004年，中村修二成為諾貝爾獎得主”。實際上，直到2014年中村修二才成為諾獎得主。筆者認為：給LED領域頒發(fā)諾獎，竟然遺漏“LED之父”何倫亞克，顯失公允，也不符合諾貝爾自然科學獎一貫注重原創(chuàng)性的頒獎原則和精神。若按原創(chuàng)性貢獻論，筆者甚至認為何倫亞克應該獲得1/2份諾獎獎金。

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