激光之父：1964年諾貝爾物理學獎得主湯斯博士

朱安遠

[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；玻色一愛因斯坦凝聚態（BEC）；發光二極管（LED）；發明專利；諾貝爾自然科學獎

2.8激光技術主要發展歷程簡述（續）

1962年休斯研究實驗室美國物理學家赫爾沃斯（RobeaWillis Hellwarth，1930.12.10-）和麥克魯爾（Fred J.McClung）在紅寶石激光器的諧振腔內采用了可外部控制的克爾盒（電光元件亦可采用普克爾斯盒，即Pockels cell），通過控制反饋保持了一個巨脈沖，從而研制成功把紅寶石激光器用作巨脈沖發生器的電驅動Q開關技術（Q-switching，又稱調Q技術。與同樣用來產生激光脈沖的鎖模技術相比，該技術的重復率、脈沖能量和持續時間更長。有時，這兩種技術會同時使用），這為激光器向大功率和高能量單短巨脈沖的發展打開了門戶。1964年貝爾實驗室哈格羅夫（Logan Ezral Hargrove）小組等研究成功激光鎖模技術，應用該技術可產生高質量的脈沖輸出用于精密測量。1965年美國霍尼韋爾（Honeywell）公司研究人員莫克爾（Hansw.Mocker）和明尼蘇達大學柯林斯利用Q開關技術周期性地調節紅寶石激光器諧振腔內部的損耗，首次實現了巨脈沖振幅調制的被動鎖模，可將脈寬壓縮到10 ns以下，開辟了物理學和化學研究的一個全新領域。1966年康涅狄格州聯合航空研究實驗室（United Aircraft Research Labs）美國籍意大利裔物理學家迪瑪利亞（Anthony John DeMaria，1931.10.30-）小組利用釹玻璃激光器和飽和吸收器，借助主動鎖模技術首次獲得皮秒（picosecond，1 ps=10-12s）級超短激光脈沖”J，科學家們利用皮秒脈沖技術可直接探測觀察到半導體中的載流子運動。機械或電動快門式高速相機拍攝一張照片的最快極限時間是1納秒（nanosecond，1 ns=10s），2014年8月10日東京大學和慶應義塾大學研究人員在《自然·光子學》雜志網絡版上報告說他們已研發出連拍速度極快的相機，每拍一張照片的時間還不到1 ps。

1963年馬薩諸塞州布蘭迪斯大學（Brandeis University）列姆皮基（Alexander Lempicki）等人報道了首臺（非光泵浦）有機染料激光器（organic dye laser，613.1 nm）。1966年IBM托馬斯·沃森研究中心索洛金和蘭卡德（JohnR.Lankard，sr.）利用巨脈沖紅寶石激光器泵浦氯化鋁酞菁CAP（chloro-aluminium phthalocyanine）和花菁類染料溶液，共同發明4ELS光泵浦有機染料激光器（755.5nm），這是世界上首臺頻率連續可調的激光器，為發展可調諧激光器奠定了基礎；同年德國馬爾堡大學物理化學研究所物理學家西菲亞（Fritz Peter Schafer，1931.01.15-2011.04.25）小組也獨立地發明了這種多波長染料激光器。染料激光器后被應用于超快光學和光譜學領域，西菲亞的專著《染料激光器》（Oye/asers，1973）是可調諧激光器領域的經典之作。1966年通用電話和電子學實驗室公司（General Telephone&Electronics Labs Inc.）列姆皮基等人利用摻釹氯化氧硒（seOCl2：Nd3+，氯化氧硒是劇烈的糜爛性毒劑）為工作物質發明無機液體激光器（inorganic liquidlaser，1.055 um）。1967年可見光染料激光器問世，隨即Korad公司索佛爾（Bernard H.Softer）和麥克法蘭（Bill B.McFarland）發明了寬波段連續可調的有機染料激光器。1970年美國伊士曼柯達（Eastman Kodak）公司研究實驗室彼得森（Otis G Peterson）小組發明了輸出CW的有機染料激光器。在1972年蒙特利爾第7屆國際量子電子學會議（會期：5月8～11日）上，貝爾實驗室科學家首次報告被動鎖模輸出CW的染料激光器，稍后正式發表相關論文。1982年MIT林肯實驗室莫爾頓（Peter Franklin Moulton，1946.05.27-）在慕尼黑第12屆國際量子電子學會議（會期：6月22～25日）上報告：利用碰撞鎖模技術，已開發出摻鈦藍寶石（Al2O3：Ti）激光器，能實現660～1180nm寬波長連續可調并利用它可產生短于100 fs的超短激光脈沖，鈦藍寶石激光器可用于取代可調諧超快激光應用的染料激光器，是當今實驗室里最常用的飛秒激光器。1987年貝爾實驗室貝克爾（Philippe c.Becker）小組利用脈沖壓縮技術和碰撞鎖模技術從染料激光器獲得6 fs超短脈沖輸出。2003年哈佛大學工程與應用科學學院馬祖爾（EricMazur，1954.11.14-）教授用飛秒脈沖施行“分子外科手術”，在不破壞分子的前提下改變分子問的關聯結構。

1963年美國光譜物理公司（Spectra-Physics Inc.，1961年9月8日由5位具有科學家和工程師背景的企業家二次創業時所創建，曾是美國最大的激光制造商）加拿大物理學家威廉·貝爾（William Earl Bell，1921-1991）發明了汞離子激光器（屬氣體激光器），同年美國加州能量系統公司（Energy Systems Inc.）研究人員希爾德（H.G Heard）研制成功縱向放電激勵氮分子（N2）激光器（337.1 nm），它是首臺紫外波段脈沖激光器。1964年休斯研究實驗室美國物理學家布里奇斯（William Bill Bridges，1934-）發明了脈沖氬離子激光器（其最強的2條譜線是488.0 nm和514.5nm），它是當今實驗室光譜分析的標準激光器，同年貝爾實驗室美國物理學家尤金·戈登（Eugene Irving Gordon，1930.09.14-2014.09.15）小組進一步地發明了一系列輸出CW的離子激光器，氖和氧等其他離子激光器（267.7～799.3 nm）也陸續研制成功，1967年問世的氦鉻離子激光器可輻射441.6 nm的深藍色激光。1964年貝爾實驗室印度電氣工程師佩特爾（Chandra Kumar Naranbhai Patel，1938.07.02-）博士發明了首臺高功率激光器——放電激勵C02激光器（次年佩特爾又研制出200 w的CW CO2激光器），它通過分子振動一轉動能級間的躍遷可輻射10.6 um的激光束，這是現今常用的大功率氣體激光器，它是被應用于機械加工、醫療手術刀、光學和非線性光學領域最廣泛的一種激光器。1966年馬薩諸塞州Avco Everett研究實驗室工程師格里（Edward T.Gerry）和康特羅維茨（Arthur Robert Kantrowitz，1913.10.20-2008.11.29）研制成功基于CO2的氣體動力激光器GDL（gasdynamic laser，其連續輸出功率最高現可達幾百kW），1975年美國福特汽車公司首先將輸出功率6 kW的C02激光器用于自動流水線的焊接工序。1964年4月貝爾實驗室美國物理學家戈依西克（Joseph EdwardGeusic，1931.11.21-）小組發明了鹵鎢燈泵浦在室溫下輸出CW的摻釹釔鋁石榴石YAG（yttrium aluminium garnet，Y3AlsOx2：Nd3+）激光器（1.064 um，1962年6月貝爾實驗室曾報告過首臺YAG激光器），其閾值低、增益大，是目前中小功率固體激光器中性能最好和應用最廣的一種激光器。1972年普朗克固體物理和材料研究所（斯圖加特）德國物理學家丹尼邁爾（Hans Gtinter Danielmeyer，1936.03.05-）和奧斯特邁耶（Frederick w.Ostermayer，Jr，1937.08.12-2012.06.29）采用半導體激光二極管（LD）泵浦YAG：Nd3+固體激光器，首次實現了在室溫下工作的全固態激光器DPSSL（dlode pumped solid state laser，簡稱為DPL=diode pumped lfd-ser），它綜合了固體激光器和半導體激光器各自的優點。

加拿大籍德國裔物理化學家波拉尼（1987CH33）最早提出制造化學激光器的可能性，1964-1965年UCB科學家凱斯帕（Jerome V.V.Kasper，西德人）和皮蒙特（George Claude Pimentel，1922.05.02-1989.06.18）發明三氟碘甲烷（CF3I）/碘甲烷（CH3I）脈沖光解碘原子化學激光器（1.3um）和氯化氫（HCl）化學激光器（3.7um），為激光器的研制開辟出一個全新領域，因其輸出功率大而引起軍方的關注和重視。1977年新墨西哥州美國空軍武器實驗室麥克德莫特（William Edward McDermott）小組研制成功輸出CW的化學氧碘激光器COIL（chemical oxygen iodine laser，1.315 um），它是一種運轉在電子態躍遷的高功率化學激光器，具有轉化效率高、輸出功率大、波長短和毒性小等優點，適宜于光纖傳輸，在軍事和工業上可一展身手。1999年美國空軍研究實驗室的赫伯林（John M.Herbelin）小組研制成功全氣相化學碘激光器AGIL（all gas-phase chemical iodine laser）。

由于激光的單色性、高強度和短脈寬等優異特性，自然地成為同位素分離的理想光源。1964年法國物理學家羅比歐克斯（Jean Robieux，1925.10.15-2012.06.14）等人系統地論述了激光分離同位素的問題，1967年肖洛小組首次用激光進行了分離同位素的嘗試，1970年邁耶（Stanley w.Mayer）小組首次利用氟化氫氣體激光器成功地分離出氫的同位素氘。

1966年美國猶他大學物理學家蕭法斯特（William Thomas Silfvast，1929.04.08-）小組發明了金屬蒸氣激光器MVL（metal-vapor laser），他所發明的氦鎘金屬蒸氣激光器是當今實驗室里最常用的紫外連續激光器，它輸出波長為325 nm的紫外激光譜線功率可達30 mW以上。美國技術研究集團TRG（Technical Research Group，1970年被控制數據公司兼并而解散）公司威廉·沃爾特（William T.Walter）小組對堿金屬（銅）蒸氣激光器（綠光510.6 nm，黃光578.2 nm）的發明亦作出過貢獻。

1969年美國施樂公司帕洛阿爾托研究中心PARC（Palo Alto Research Center）工程師斯塔克維斯（Gary Keith Starkweather，1938.01.09-，被譽為“激光打印機之父”）演示了激光束控制的靜電復印機，1971年他通過修改一臺施樂復印機而研制出世界上首臺激光打印機。1976年7月（1975年4月15日宣布）IBM公司推出世界上首款商用激光打印機IBM 3800 Model 001，體積大且笨重；1977年施樂公司推出其首款商用激光打印機Xerox 9700，其通用性更強，打印速度是120 ppm（pages per minute）；1979年日本佳能（canon）公司推出首款使用半導體激光器的激光打印機；1984年美國惠普（Hewlett-Packard，HP）公司發布其首款桌面激光打印機HP LaserJet Classic，隨后高質量和低成本的HP LaserJet激光打印機迅速成為世界上最流行的個人桌面激光打印機。

1969年7月21日，乘坐“阿波羅11號”（Apollo 11，7月16日13：32：00 UTC在佛羅里達州肯尼迪航天中心發射升空，7月20日20：17：43 UTC登陸月球，7月24日16：50：35 UTC返回地球）登月的宇航員阿姆斯特朗（Neff Alden Armstrong，1930.08.05-2012.08.25，其左腳最早登月時刻是7月21日02：56：15 UTC）和奧爾德林（Buzz Aldrin，原名Edwin Eugene Aldrin，Jr，1930.01.20-，具體踏足月球時刻是7月21日03：15：16 UTC）在月球上的“寧靜海”登陸后，將月球激光反射鏡留在“月球行走者”（Moon walker）上，利用紅寶石激光測距儀產生的激光脈沖回波就可精確測量地球和月球之間的距離。

1970年前后科學家們通過對染料激光器的研究發現，諧振腔可以通過內置光柵的分布式反饋DFB（distributed feedback）來實現，由此而提出DFB激光器的概念。1971年貝爾實驗室工程師科格爾尼克和香克（Charles V.Shank，1943.07.12-）在DFB結構實驗中首次觀察到激射現象，次年他倆運用電磁場的嚴格耦合波RCW（rigorous coupled-wave）理論系統地分析了DFB激光器的工作原理和特性，提出它存在折射率耦合和增益耦合2種反饋方式。1973年通過光泵浦GaAs周期性金屬柵表面，日立（Hitachi）公司中村道治（Miehiharu Nakamura，1942.09.09-）小組研制成功首臺DFB半導體激光器，其后不同材質制作的DFB激光器陸續問世。DFB激光器現有DFB半導體激光器和DFB染料激光器兩類，其與眾不同之處是內置光纖布拉格（布拉格父子=亨利·布拉格+勞倫斯·布拉格=1915PH21+1915PH22）光柵FBG（fiber Bragg grating）來構成諧振腔，利用光柵的分布式反饋來實現縱模選擇。與普通半導體激光器相比，它具有單縱模、低損耗、帶寬窄、波長可調諧和頻率穩定性好等突出優點，被廣泛應用于長距離光通信領域。液晶激光器LCL（liquid-crystal laser）通常以激光染料作為工作物質，以光源作為泵浦源，以液晶作為提供反饋的諧振腔，其中常用的液晶材料是膽甾相液晶CLC（cholesterie liquid crystal，又稱螺旋狀相液晶）。1978年前蘇聯科學家庫赫塔列夫（NickolaiV.Kukhtarev）從理論上分析了利用膽甾相液晶作諧振腔，以激光染料作為工作物質的DFB激光器，自此開始膽甾相液晶激光的研究。1980年前蘇聯伊爾基欽（IgorP.Ilehishin）小組首次報道研制成功可調染料摻雜膽甾相液晶激光器。

1960年荷蘭-奧地利-德國原子和核物理學家豪特曼斯（Friedrieh Georg”Fritz”Houtermans，1903.01.22-1966.03.01）首先提出將準分子作為激活介質以實現激光振蕩的建議。1970年巴索夫小組利用強電流電子束激勵液態氙，獲得Xe2準分子激光輸出，從而發明了（無機）準分子激光器（excimer laser，172 nm），為開拓紫外尤其是真空紫外激光器開辟了新途徑。1975年5月15日AvcoEverett研究實驗室工程師布勞（Charles A.Brau，1938.11.04-）和尤因（James J.Ewing）發明了稀有氣體鹵化物XeF準分子激光器（354 nm），氟化氪（KrF）準分子激光器（193 BE）已成為現代大規模集成LSI（largescale integration）電路和超大規模集成VLSI（very LSI）電路光刻的主要光源。

自由電子激光器FEL（free-electron laser）是利用高速運動的自由電子將動能轉變成激光能量來工作，其運行機制不同于普通激光器，它是所有激光器種類中最為復雜的一種。1951年斯坦福大學物理學家莫茲（Hans Motz，1909.10.01-1987.08.06）首先提出可用一個磁擺動器（又譯為波蕩器，undulator）使高速電子束通過時形成周期性擺動，條件合適時就會產生相干電磁輻射。1971年斯坦福大學物理學家馬戴（John M.J.Madey，1943-）在《周期性磁場中的受激軔致輻射》一文中首先提出了自由電子激光的概念，1977年斯坦福大學迪肯（David A.G.Deacon）小組發明了自由電子激光器（3.4 um），電子的每一次反射都向電磁場輻射能量，它在紅外波段相當寬的頻率范圍內是連續可調的。1895年11月8日德國物理學家倫琴（1901PH）首先發現x射線，其波長一般在0.01～10 um，對應頻率范圍是3×10Hz（即30 EHz）～3×10Hz（即30 PHz）。根據x射線波長的不同，一般可分為超硬x射線（<0.01 nm）、硬x射線（0.01～0.10 nm）、軟x射線（0.1～1.0 nm，有時亦取0.5～1.0 nm）和超軟x射線（>1 nm，又稱淺層x射線）四類，波長越短其能量越大，穿透力越強。x射線激光器XFEL（x-ray FEL=x-ray laser，即Xaser）實質上就是一種特殊的自由電子激光器。1967年貝爾實驗室杜瓜伊（Michel A.Duguay，1939.09.12蒙特利爾一）等人首先提出基于原子內部殼層電子光電離產生粒子數反轉以實現x射線激光的機制并申請了美國專利，但由于此方案需要一個極高功率的泵浦源，故一直無法實現。此后雖有多人曾聲稱研制出x射線激光器，但都被否決，故文獻[57]P2中的“1967年，Duguay和Rentzepis研制出第一臺x射線激光器”描述有誤。1980年英格蘭赫爾大學（University of Hull，1927年成立，原名University CoHege Hull，1954年5月13日取得皇家特許狀和獨立大學資格）物理學家珀特（Geoffrey James Pert，1941.08.15-）小組通過FEL首次觀察到x射線激光輻射。1984年10月29日，在波士頓舉行的美國物理學會等離子體分會上，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室和普林斯頓等離子體物理實驗室PPPL（Princeton Plasma Physics Laboratory，1961年創建）的研究人員共同宣布研制成功軟x射線激光器SXFEL（soft x-ray FEL）：①LLNL實驗室利用當時世界上最大的Novette激光裝置[1983年建成，屬激光泵浦釹玻璃激光器，不久即被1984年建成的更大功率的Nova固體激光器（1999年被拆除）所代替]產生的兩路激光，采用電子碰撞激勵機制中的類氖離子法，通過激光等離子體中的自由電子和離子碰撞，從兩面聚焦在高z（原子序數）材料硒（se）箔膜靶上，首次成功地在20.63 nm和20.96nm波長上產生了高增益的軟x射線激光（嚴格意義上說應是極短紫外激光），改用高z材料釔（Y）箔膜靶則得到15.49 nm和15.72 nm兩條譜線。②PPPL實驗室采用CO2激光照射一強磁場約束的三體復合激勵法，在CO2激光器照射碳靶（C）產生的等離子體柱中首次觀察到18.2nm的激光增益現象。它們都是核聚變研究的副產物。核泵浦x射線激光器作為激光武器的應用前景早已引起各國軍事部門的密切關注。1992年中佛羅里達大學電光學和激光研究中心（CREOL）蕭法斯特小組對軟x射線激光器的應用和研究作出過重要貢獻，蕭法斯特是有影響力的教科書《激光原理》（laser Fundamentals，2004年，劍橋大學出版社）的作者。

美國能源部直線加速器相干光源LCLS（1inac coherent light source）工程由以下3個實驗室合作組織并共同實施：①斯坦福直線加速器中心SLAC（Stanford Linear Accelerator Center）創建于1962年，2008年10月起更名為SLAC國家加速器實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory，簡稱仍沿用SLAC），負責加速器系統。②阿貢國家實驗室ANL（Argonne National Laboratory，1946年7月1日成立），負責波蕩器系統（undulators system）。③利弗莫爾國家實驗室（LLNL），負責x射線光學系統，2001年它研制成功固體熱容激光器SSHCL（solid-state heat-capacity laser）。2009年4月世界上首臺亞納米波段硬x射線激光器HXFEL（hard xray FEL，即LCIS）在SLAC建成。經精確調諧，LCLS可提供波長為0.12-2.60 nm的100 fs級硬x射線激光脈沖，其亮度比第三代同步輻射光源高10億倍，是目前波長最短、能量和亮度最高的x射線，這一成就具有劃時代的意義。

1974年貝爾實驗室物理學家查爾斯·亨利（Charles Howard Henry，1937.05.06-，時任半導體電子研究部負責人）小組發現雙異質結激光器的量子阱效應（雙異質結忽略漸變態就構成量子阱，由一個勢阱構成的量子阱結構稱單量子阱SQW，由多個勢阱構成的量子阱結構稱多量子阱MQW）并獲得美國專利。1975年貝爾實驗室物理學家范德惹爾（Jan P.van der Ziel）小組采用分子束外延MBE（molecular beam epitaxy）技術，首先用GaAlAs/GaAs類材料制成半導體量子阱激光器QWL（quantum well laser），當時它須在液氮溫度下才能較好地振蕩。1978年伊利諾伊大學厄巴納一香檳分校（UIUC）物理學家何倫亞克及其羅克韋爾國際公司（Rockwell International Corp.）的學生們協作研制成功電泵浦注入式量子阱激光器，它大幅度地提高了半導體激光器的各種性能。1979年何倫亞克小組又報告了首臺多量子阱半導體激光器。1990年美國人研制的畸變量子阱激光器的開關速度高達280億次/秒，這是激光器有史以來可達到的最高開關速度。1971年前蘇聯物理學家卡扎林諾夫等人首先提出量子級聯激光器QCL（quantum cascade laser）的概念，1994年貝爾實驗室費斯特（Jerrme Faist）小組（包括華裔物理學家、電氣工程專家、MBE之父、1993年美國國家科學獎得主卓以和博士）發明了量子級聯激光器，開創了利用寬帶隙半導體材料研制中遠紅外半導體激光器的先河，這是半導體激光領域的又一次革命性進展。量子級聯激光器集量子工程和分子束外延（MBE）技術于一體。同年前蘇聯約飛物理技術研究所物理學家勒當索夫（Nikolai Nikolacvich Ledentsov，1959.05.03-）小組研制成功自組織量子點激光器（self-organized quantumdots laser）。貝爾實驗室美籍華裔科學家曾煥添（WonTien Tsang）博士將MBE和金屬有機物化學氣相沉積法MOCVD（metal organic CVD）的主要優點相結合于1984年發明了一種新的外延生長技術——化學束外延CBE（chemicalbeam epitaxy），因CBE反應爐設計方面存在一些問題有待解決，CBE尚未像MBE那樣得到廣泛認可。

1974年6月26日在美國俄亥俄州邁阿密縣（Miami county）特洛伊市（Troy city）Marsh超市上市的箭牌（Wrigley）公司黃箭牌口香糖（1盒10條包裝）是最早使用條形碼的商品，激光條形碼掃描器的使用標志著激光開始進入大眾商品領域。世界上首張CD唱片是1978年美國著名歌手比利·喬爾（William Martin Billy Joel，1949.05.09-）的專輯《第52街》（52nd Street）。由美國MCA（Music Corporation of America）公司（曾與菲利普公司合作）制造的首臺激光影碟LD播放機于1978年12月15日在亞特蘭大上市，價格昂貴且影響不大。1979年3月8日荷蘭菲利普（Phillips）公司在艾恩德霍芬市（Eindhoven）演示了首個基于激光光盤（CD）的數字音樂播放系統，1982年10月1日首款商用音頻CD（audio CD）播放機Sony CDP-101在日本索尼（sony）公司問世，它揭開了數字音頻革命的序幕。1993年視頻光盤（VCD）面市并由索尼、菲利普、日本松下（Matsushita）和日本勝利株式會社JVC（Victor Company of Japan）實行標準化。1995年日本東芝（Toshiba）公司推出數字多用途光盤DVD播放器（采用650 nm半導體激光器和12 cm碟片）并實行DVD標準化。

1979年東京工業大學雙田晴久（Haruhisa Soda）和伊賀健一（Ken-ichi Iga）小組發明垂直腔面發射激光器VCSEL（vertical cavity surface emitting laser），輸出的激光束垂直于腔面，具有低閾值電流和圓光束截面單模等特征，1985年成功實現電泵浦室溫連續工作。1993年貝爾實驗室光學物理學研究室負責人斯魯施爾（Riehart Elliott Slusher）通過大面積集成，研發出垂直腔面發射二維LD陣列，其單個激光器的直徑僅幾微米，故被稱為“微激光器”，這是半導體激光器發展史上的又一個里程碑。1994年德國斯圖加特大學物理學家吉森（Adolf Giesen，1946-）小組發明了半導體泵浦的薄片型固體激光器（thin-disk laser），大大提高了激光器的輸出功率和光束質量，2007年時單片激光發射的功率已超過5 kW。

1985年紐約州羅切斯特大學（Unwemity of Rochester）激光動力學實驗室物理學家斯特里克蘭（Donna Striekland）和穆魯（Gerard Mourou）共同發明啁啾脈沖放大器CPA（chirped pulse amplification），從而成為超快超強激光領域的先驅。利用CPA可獲得太瓦（1 TW=10w）級短脈沖。因采用CPA和光參量啁啾脈沖放大OPCPA（optical parametric CPA）等技術，高強度和超短脈沖激光的發展非常迅速，啁啾脈沖放大技術已成為實現大功率超短脈沖激光的關鍵技術。1996年LLNL研制成功首個峰值功率高達拍瓦（1 PW=10W）級的脈沖激光器，次年該實驗室運用拍瓦級飛秒超強激光脈沖產生了反物質，誘導出百萬電子伏特（10eV）級的核反應，原來這是需要大型粒子加速器才能實現的。2001年德國比勒費爾德大學（Bielefeld University）德雷舍（Markus Drescher）小組首次成功地利用阿秒激光脈沖探測到氪原子被x射線激發后，電子隨時間的躍遷過程，阿秒激光相關科學現已成為超快科學研究的最前沿領域。2008年普朗克量子光學研究所（慕尼黑Garehing，成立于1981年）運用超快激光脈沖照射氖，獲得80 as的極短脈沖（2014年時的最短紀錄已達48 as）。

2003年9月18日由美國NASA馬歇爾航天飛行中心、德萊頓飛行研究中心（Dryden Flight Research Center，位于愛德華茲空軍基地）和阿拉巴馬大學組成的研究小組對模型機成功地進行了一次室內飛行測試，研制出激光動力遙控飛機。

2009年羅切斯特大學光學研究所高強度飛秒激光實驗室郭春雷小組利用飛秒激光輻照金屬表面，可獲得有納米結構覆蓋的激光誘導的周期性表面結構NC-LIPSSs（nanostructure-covered laser-induced periodic surface structures）。他們在輻照白熾燈的鎢絲時發現NC-LIPSSs可大幅度提高燈泡的發光效率，利用飛秒激光技術加工后的燈泡所消耗的能量只約為普通燈泡的一半，這對提高能源利用具有重要的應用價值。

2010年奧地利因斯布魯克大學研究小組成功研制出單離子激光器（又稱單原子激光器），它既擁有經典激光器的特性，又擁有離子（原子）-光子相互作用的量子力學特性。2011年德國科學家率先實現了用單原子存儲量子信息（將單個光子的量子狀態寫入一個銣原子中，經過180us后將其讀出），此突破有助于科學家們研制出功能超級強大的量子計算機，并讓其遠距離聯網構建量子網絡。

2010年由耶魯大學華裔理論物理學家張毅東（Yidong Chong之音譯）領銜的研究小組首先從理論上提出相干完美吸收器CPA[coherent peffect absorber，又稱反激光器（antilaser）]的概念，2011年由耶魯大學應用物理學家曹惠（北京大學物理學系86級才女）領導的研究小組研制成功世界首個硅基反激光器而備受矚目，該成果有助于硅基集成光子器件、光學通信和未來光學計算機的發展和應用。CPA產生于光學吸收和光學干涉的相互作用，是一種操控光波及其吸收的新方法。CPA系統具有光學過程上與一般光放大激光器存在時間反演關系，能夠完全吸收相干入射光等反激光器特性。CPA將兩束相同頻率的光集中于含有一個硅晶片的諧振腔中，硅晶片作為“損耗媒介”捕捉光波，直到光波在往返振蕩過程中被完全吸收并轉化為熱量，即CPA能完全吸收入射激光束。2011年美國研究人員在英國《自然·光子學》雜志上報告研制成功世界上首個生物激光器（細胞激光器），他們首先利用基因工程改造人體的腎臟細胞使其表達源自水母的綠色熒光蛋白GFP（green fluorescent protein，因其熒光性，常在細胞生物學中作為標記物。GFP的發現和發展是2008年諾化獎的獲獎成果），然后采用光照射在外置光諧振腔中得到了綠色激光束。

文獻[91]回憶了激光發明50年的歷史沿革，現將筆者發現的該文差錯指出并糾正如下：（I）P448左側“在1969年開發出單模摻釹光纖放大器”中的“1969年”系“1996年”之誤。（Ⅱ）P448左側中將約翰森和納桑1961年發明的摻釹鎢酸鈣（CaW04：Nd）激光器誤為1964年才發明的摻釹釔鋁石榴石（YAG：Nd）激光器。

（Ⅲ）P452左側“1995年：w.Phillips在美國國家標準局運用激光冷卻達到1 mK的低溫”中存在2處錯誤：①1988年時美國國家標準局（NBS）已更名為國家標準和技術研究所（NIST）；②“1 mK”顯然系“1 uK”抑或是“1 nK”之誤，因為1995年年底時的世界極低溫紀錄已達3 nK（刷新了當時的全球最低溫紀錄），2003年時的世界紀錄進一步地達到0.5 nK，現已向pK數量級邁進。

由于激光器的發明、發展及其在各學科中的應用而逐漸發展起來的物理學理論稱激光物理學（laser physics），它主要研究激光器的基本原理、激光束的基本性質及相關理論。激光技術作為一門新興科技，是20世紀現代物理學的一項重大成果，它是量子理論、無線電電子學、微波波譜學和固體物理學的綜合產物，也是科學與技術、理論與實踐緊密結合孕育出來的璀璨成就。其發展史充分表明物理學理論對技術發明的預見性，它本身的發展歷程也大大促進和推動了現代物理學和現代科學技術的發展。以激光和半導體光電子為主流技術的近代光學已形成龐大產業。

2.9光通信網絡發展簡史

通信技術領域主要涉及光纖通信、電纜通信和無線電通信，人們將通信的能力稱為帶寬，光纖通信是能夠提供最大帶寬的通信技術。

光導纖維（簡稱光纖，optical fiber/fibre）是一種可以傳導光的傳輸介質，它具有把光封閉在其中并進行長距離傳輸的功能。根據光傳輸模式的不同光纖分為多模光纖（線芯較粗，50～200 um，按其折射率的分布分為突變型和漸變型2種，現多為漸變型）和單模光纖（線芯較細，3～12um）2種。單模光纖只允許一種模式的光通過，傳輸帶寬寬、色散低、損耗小，通常采用激光器做光源，價格較高，最適于長距離傳輸。多模光纖可在給定工作波長上傳輸多達數百種模式的光，可采用便宜的LED做光源，相應的耦合器和接線器價格低廉，適宜于中短距離和小容量的光纖通信系統。根據材質的不同光纖可分為塑料光纖（價格低廉）、玻璃光纖（價格較低）和石英光纖（價格較高，光損耗小）三種。光纖通信（簡稱光通信）則是指用光波作為載波攜帶信息，以光纖作為傳輸介質傳送光波信號（介質光波導）的一種通信方式。

玻璃纖維（fierglass或glass fiber）是一種性能優異的無機非金屬材料，種類繁多。早在1713年法國物理學家列奧謬爾（Rene Antoine Ferchault de Reaumur，1683-1757，列氏溫標首倡者）就制成過玻璃纖維織物。1926年12月30日紐約長島RCA Rocky Point實驗室美國電子工程師漢塞爾（Clarence Weston Hansell，1898.01.20-1967.10.01）在筆記本上歸納出光纖束成像原理并申請了利用玻璃光纖（實際上就是非常纖細的小棒）傳輸圖像的美國專利。

1948年貝爾實驗室美國數學家、電子工程師和密碼專家香農（Claude Elwood Shannon，1916.04.30-2001.02.26，被譽為“信息論之父”）發表著名論文《通信的數學原理》，它奠定了現代通信理論的基礎，標志著信息論（香農三大定理是信息論的基礎理論）的正式誕生。

1951年美國光學物理學家奧布萊恩（Brian O'Brien，1898.01.02-1992.07.01）和荷蘭物理學家范海爾（Abraham Comelis Sebastiaan”Bram”Van Heel.1899.07.17-1966.05.18）分別獨自提出石英光纖結構中“包層”（cladding）的概念。1954年范海爾發現透明低折射率光纖包層的作用，同年英國物理學家哈羅德·霍普金斯（HaroldHorace Hopkins，FRS，1918.12.06-1994.10.22）和美國籍印度裔物理學家卡帕尼（Narinder Singh Kapany，FREng，1926.10.31-）合作，成功實現用一束1～2萬根纖維來傳輸圖像，這是光纖發展史上的一個重大突破。1956年卡帕尼首創“fiber optics”（光導纖維）這一術語，被譽為“光纖之父”（Father of fiber optics），高錕則是“光纖通信之父”（Father of fiber optic communications，有時也簡稱為“光纖之父”，實際上這并不妥當，抑或可稱之為“通信光纖之父”）。大數量纖維實現圖像傳輸成功和光纖結構包層的應用標志著光纖作為一個新興學科的誕生。

1966年英國標準電信實驗室STL（standard Telecommunication Labs Ltd.）物理學家高錕（1996年當選為中國科學院外籍院士）和工程師霍克哈姆（George Alfred Hockham，FREng，FIET，1938.12.07-2013.09.16）合作發表劃時代的著名論文《光頻率介質纖維表面波導》，提出低吸收率石英基玻璃纖維（光纖）可用作光通信媒介，以解決雙絞銅線的電話通信容量問題，建立了光纖通信物理模型（1963年西澤潤一曾提出并初步實現了集束型玻璃光纖通信），描述了采用超純硅低損耗（光損耗<20 dB/km）單模光纖進行長距離（>100 km，原有技術只能傳輸20 m）和大容量（1 Gb）光通信所需絕緣性纖維的結構和材料特性，此項重大研究成果是光通信和光電子學的重要里程碑，奠定了光纖通信的基礎，開啟了光纖通信的大門。1970年8月紐約州康寧玻璃廠（coming Glass Works，現康寧公司Coming Inc.）的4位博士毛瑞爾（Robert D.Manrer，1924.07.20-）、彼得·舒爾茨（Peter C.Sehultz，1942.12.03-）、柯克（Donald B.Keck，1941.01.02-）和茲曼爾（Frank Zimar）在化學氣相沉積CVD（chemical vapor deposition）過程中采用新的處理方法（在纖芯中摻雜鈦），根據高錕和霍克哈姆的思想首次成功研制出世界上第一根低損耗（波長633 nm時達到16 dB/km，摻雜物用鍺替換鈦，1972年6月康寧光纖產品損耗可達4dB/km）單模石英光纖樣品（L=30 m），標志著光通信技術的重大突破。加上同年貝爾實驗室研制成功室溫下連續工作的GaAlAs半導體激光器，故1970年常被稱為光通信元年。康寧公司在這一重大突破的基礎上研制出大規模生產光纖的工藝，引領了通信產業的革命，使得低成本、高容量光通信系統逐漸進入人們的日常生活。1973年首個光纖通信實驗系統在貝爾實驗室建成。光通信網絡現已覆蓋全球，構筑成信息高速公路。

采用OVD（outside vapor deposition）/MCVD（modifiedCVD）/VAD（vapor axial deposition）/PCVD（plasma-en-hanced CVD）法先制成預制棒，然后再拉成光纖，這已成為制造低損耗高質量石英光纖的常規方法。

光通信發展史上的五個發展階段依次是：①第一代光網通信的標志：1977年5月世界上首個商用光通信系統由貝爾實驗室在芝加哥2個相距7 km的電信局街道之間敷設完畢，采用點到點的通信方式進行實況電話傳輸，光源是GaAlAs半導體激光器（0.85um），多模漸變型玻璃光纖的光損耗是2.54 dB/km，傳輸速率是44.736 Mb/s，中繼距離是8～10km，光電檢測器采用硅材料的光電二極管。②第二代光網通信和第一代光網通信幾乎是并行發展的，1981年建成。光源采用銦鎵砷磷/銦磷（InGaAsP/InP）半導體激光器，波長延伸到1.31um，多模漸變型石英光纖的光損耗是1 dB/km，傳輸速率是140 Mb/s，中繼距離是20～40 km，光電檢測器采用鍺材料的光電二極管。③第三代光網通信：始于1982年12月美國通信公司MCI（Microwave Communications，Inc.，1963年10月3日成立）敷設紐約到華盛頓光纖系統時開始采用單模石英光纖，激光波長仍為1.31 um，光損耗是0.3～0.5dB/km，傳輸速率是1 Gb/s，中繼距離是50～60 km。1988年12月14日首條橫跨大西洋的海底光纜TAT-8由AT&T公司投入運行（2002年退役），長6100 km，經由2對傳輸波長為1.31 um激光的單模光纖，可同時傳輸4萬個聲音信號，傳輸速率是2.5 Gb/s，每67 km經光一電一光中繼一次。④第四代光網通信：1990年前后采用特種光纖（如色散平坦光纖和非零色散位移光纖等）傳輸DFB 1.55um（此波長是單模石英光纖的最低損耗窗口）的激光，光損耗進一步降至0.2-0.3 dB/km（如今光纖的衰減系數在波長為1.55um時的最小值已達0.16 dB/km，接近于理論極限值0.15 dWkm），傳輸速率達10 Gb/s，中繼距離是80～150 km。這個時期ED-FA的應用成為光通信發展史上的重要里程碑。⑤1995年起已進入第五代高速光網通信階段，隨著波分復用WDM（wavelength division multiplexing）、光時分復用OTDM（optical time division multiplexing）、稀疏波分復用CWDM（coarse WDM）和密集波分復用DWDM（dense WDM，可取代單信道EDFA）技術的發明和應用，可充分利用光纖帶寬，有效擴充通信容量，用光波放大增長傳輸距離。DWDM技術可用來提高現有光纖骨干網上的帶寬和容量，開啟了光通信史上的又一次革命。1996年12月31日首條跨越太平洋的洲際海底光纜TPC-5建成使用，采用光放大器而無須光-電-光中繼，可同時傳輸32萬個聲音信號，傳輸速率是TAT-8的8倍。1998年6月4日，全波光纖誕生標志著光纖歷史的又一個里程碑。2001年時商用型光通信系統的速率已達10Tb/s，2014年8月8日中國《科技日報》報道：丹麥科技大學研究人員利用特制的單一多芯（7芯）光纖研發出世界上最快（43 Th/s）的網絡。