劉家岡 李俊清 王本楠

（1北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）

（2中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100083）

物理學(xué)家的技術(shù)發(fā)明案例分析（Ⅲ）激光器發(fā)明過程的創(chuàng)造學(xué)啟示

劉家岡1李俊清1王本楠2

（1北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）

（2中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100083）

扼要敘述了物理學(xué)家發(fā)明激光器的過程和思路，分析其在創(chuàng)造學(xué)上的啟示.指出它符合發(fā)明的“效應(yīng)潛力挖掘法”、“條件實現(xiàn)改進(jìn)法”和“效應(yīng)倍增法”等三條創(chuàng)造技法.

激光器；發(fā)明；創(chuàng)造技法；效應(yīng)；條件；倍增

文獻(xiàn)［1］根據(jù)法拉第首先發(fā)明電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的實際過程，提出了利用科學(xué)原理進(jìn)行技術(shù)發(fā)明的三條創(chuàng)造技法，也就是“效應(yīng)潛力挖掘法”、“條件實現(xiàn)改進(jìn)法”和“效應(yīng)倍增法”.文獻(xiàn)［2］證明了物理學(xué)家在核能的開發(fā)利用過程中也還是采用了這三條創(chuàng)造技法.本文則分析了激光技術(shù)開發(fā)的歷史，表明物理學(xué)家在其中實際上也是遵循、采用了這三條創(chuàng)造技法.

眾所周知，激光器的發(fā)明，是20世紀(jì)科技史上最重要、影響最深遠(yuǎn)的事件之一，是基礎(chǔ)科學(xué)成果轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力的典范，也是一場物理學(xué)家親自扮演發(fā)明家的歷史大戲.為了發(fā)明激光器，物理學(xué)家經(jīng)歷了大約40年的艱苦探索.本文扼要地敘述物理學(xué)家發(fā)明激光器的過程和思路，分析其在創(chuàng)造學(xué)上的啟示.

1 受激輻射的潛力

1917年，愛因斯坦為解釋黑體輻射定律，研究黑體輻射是怎樣達(dá)到熱平衡時，發(fā)現(xiàn)僅憑當(dāng)時已知的自發(fā)輻射和受激吸收是不夠的.為了使黑體輻射能夠達(dá)到熱平衡，他提出受激輻射的理論.所謂受激輻射，就是一個入射光子，經(jīng)過一個原子，當(dāng)入射光子的頻率與原子的兩個能級差之間，滿足玻爾的躍遷假設(shè)時，這個原子就會從一個高能級受激躍遷到一個低能級，同時發(fā)出一個光子，它跟原來那個激發(fā)它的入射光子具有完全相同的頻率、方向、偏振和相位，二者是相干的光子.

依據(jù)受激輻射理論，一個光子，可以引發(fā)一個相干光子，一個變兩個.那么，只要條件合適，就可以從兩個變四個，四個再變八個，……如此變下去，不就實現(xiàn)了光放大了嗎！于是人們認(rèn)識到，受激輻射的效應(yīng)，利用這種正反饋的方法，具有光放大的極大潛力.

不過，具體如何實現(xiàn)這種光放大？那時沒有人知道，這就放下來了.

但是物理學(xué)并沒有停止其自身發(fā)展的腳步.

1923年，德布羅意提出了物質(zhì)波的概念，即實物粒子具有波粒二象性.

1925—1926年，海森伯、玻恩、約旦建立了矩陣力學(xué).

1926年，薛定諤提出薛定諤方程，建立了波動力學(xué)，統(tǒng)一的量子力學(xué)誕生.

英國遠(yuǎn)征軍1914年8月開赴法國時僅有827輛汽車（包括747輛征用的車）和25輛摩托車，到戰(zhàn)爭結(jié)束前幾個月，英國陸軍車輛達(dá)到了5.6萬輛卡車、2.3萬輛汽車、3.4萬輛摩托車和機(jī)動腳踏車。此外，1917年4月，參戰(zhàn)的美國帶到法國5萬輛汽油驅(qū)動車。這些車輛根據(jù)部隊的需要，將部隊和補(bǔ)給從一地迅速運(yùn)到另一地。而德國占據(jù)優(yōu)勢的火車因為缺乏機(jī)動性，在戰(zhàn)爭中漸漸失去優(yōu)勢。

1928年，布洛赫利用量子力學(xué)研究了固體周期勢中的自由電子的傳播，提出了能帶論，開創(chuàng)了固體物理的新時代.

1931年，威爾遜用能帶論解釋了絕緣體、導(dǎo)體的區(qū)別，從而奠定了半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ).到20世紀(jì)40年代末期，固體物理學(xué)（包括半導(dǎo)體物理學(xué)）獲得了爆炸式的發(fā)展.

總之，經(jīng)過1920—1940年代，量子力學(xué)和固體物理學(xué)相繼產(chǎn)生并獲得了長足發(fā)展，而光放大這個話題卻被擱置一邊.

現(xiàn)在回過頭來看，為什么從1917年愛因斯坦提出受激輻射，到1950—1960年期間實現(xiàn)微波受激輻射和光受激輻射，其中約有40年的空白？作者認(rèn)為可能有三個重要原因.其一是開始時還沒有量子力學(xué)和固體物理學(xué)，人們對物質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)沒有系統(tǒng)概念，不太可能為光放大設(shè)計出合適的機(jī)構(gòu)；另一個就是后來量子力學(xué)以及固體物理學(xué)激動人心的迅速發(fā)展，吸引了大批優(yōu)秀物理學(xué)家的注意力；再后來發(fā)生了第二次世界大戰(zhàn)，大批物理學(xué)家又卷入了戰(zhàn)爭，進(jìn)行雷達(dá)技術(shù)的研究，特別是參與研制核武器的曼哈頓計劃.雖然1940年前后，就有人在研究氣體放電實驗中，觀察到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，按當(dāng)時的實驗技術(shù)基礎(chǔ)，就具備建立某種類型的激光器的條件.是戰(zhàn)爭拴住了大批優(yōu)秀的物理學(xué)家，無暇顧及這個光放大的設(shè)想.當(dāng)時愛因斯坦則沉浸在他的統(tǒng)一場論的宏偉研究中.

2 微波激射器的誕生

“二戰(zhàn)”后，實現(xiàn)受激輻射的條件基本上具備了.量子力學(xué)、固體物理學(xué)（包括半導(dǎo)體物理學(xué)）已經(jīng)成熟，大批物理學(xué)家從軍事部門回到大學(xué)等民間學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，一些人在戰(zhàn)爭期間因為研制雷達(dá)而在微波波譜學(xué)方面有著豐富的科研積累，成為受激輻射研究的主力.

其中，美國物理學(xué)家C.H.湯斯是一個關(guān)鍵人物.“二戰(zhàn)”中，他在貝爾實驗室從事雷達(dá)研究，并成為微波波譜學(xué)方面的專家.“二戰(zhàn)”后的1948年，他進(jìn)入哥倫比亞大學(xué)任教.因為雷達(dá)技術(shù)涉及微波的發(fā)射和接收，湯斯一直希望找到一種能產(chǎn)生高強(qiáng)度毫米波的器件.而用傳統(tǒng)器件因為尺寸會太小而非常困難，他想到利用微波和分子之間的相互作用、特別是利用受激輻射效應(yīng)來實現(xiàn).

當(dāng)時人們已經(jīng)認(rèn)識到，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是放大的必要條件.1951年，哈佛大學(xué)的珀塞爾和龐德用核磁共振法獲得了“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)使氣體受到激發(fā)，產(chǎn)生大量的受激微波輻射，為激光的誕生創(chuàng)造了條件.但它們的信號還是太弱，人們無法實際利用.

湯斯感到，并不是不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，而是沒有辦法進(jìn)一步放大.他一直在苦思這個問題.因為湯斯很熟悉微波工程，他首先想到了諧振腔.他設(shè)想，如果將工作介質(zhì)置于諧振腔內(nèi)，使輻射反復(fù)振蕩，利用受激輻射的正反饋作用，也許可以放大.

湯斯小組歷經(jīng)兩年的試驗，終于在1953年制成了第一臺用氨分子作介質(zhì)的微波激射器，取名為“微波激射放大器”（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation），簡 稱MASER（微波激射器）（見圖1）.

圖1 湯斯和他的微波激射器

3 激光器的誕生

到了1958年，湯斯和A.I.肖洛發(fā)表了著名論文“紅外與光學(xué)激射器”，指出了實現(xiàn)光受激輻射的可能性，以及實現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”的必要條件.他們的論文使在光學(xué)領(lǐng)域工作的物理學(xué)家馬上興奮起來，紛紛提出各種實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實驗方案，從此開辟了嶄新的激光研究領(lǐng)域.同年蘇聯(lián)科學(xué)家N.G.巴索夫和A.M.普羅霍羅夫發(fā)表了“實現(xiàn)三能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體激光器建議”論文.

在研究激光器的過程中，應(yīng)把引進(jìn)光學(xué)諧振腔的功勞歸于肖洛.湯斯原先設(shè)計的封閉型諧振腔振動模式太復(fù)雜.而肖洛長期從事光譜學(xué)研究，熟悉各種干涉儀.他設(shè)計的開放式諧振腔結(jié)構(gòu)，振動模式比較簡單，就是從法布里－珀洛干涉儀那里得到啟示的.正如肖洛自己所說：“我開始考慮光諧振器時，從兩面彼此相向鏡面的法布里－珀洛干涉儀結(jié)構(gòu)著手研究，是很自然的.”

在1959年9月召開的第一次國際量子電子會議上，肖洛提出了用紅寶石作為激光的工作物質(zhì).不久，肖洛又具體地描述了激光器的結(jié)構(gòu)：“固體微波激射器的結(jié)構(gòu)較為簡單，實質(zhì)上，它有一棒（紅寶石），它的一端可作全反射，另一端幾乎全反射，側(cè)面作光抽運(yùn).”［4］

遺憾的是，肖洛沒有及時得到足夠的光能量使粒子數(shù)反轉(zhuǎn).因為肖洛關(guān)于紅寶石激光器的設(shè)計已經(jīng)公之于世，這個轉(zhuǎn)瞬即逝的歷史機(jī)遇戲劇性地被別人抓走了，休斯公司的物理學(xué)家T.H.梅曼按照肖洛的設(shè)計方案，巧妙地利用強(qiáng)大的閃光氙燈作光抽運(yùn)，激發(fā)了紅寶石分子，從而獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，搶先獲得了成功.1960年6月，在羅切斯特大學(xué)，召開了一個有關(guān)光的相干性的會議，在會議上，梅曼成功地操作演示了一臺用紅寶石制成的激光器.同年7月份，梅曼的激光器被公布于眾.世界上第一臺激光器宣告誕生（見圖2）.

圖2 紅寶石激光器原理圖

1964年，諾貝爾物理學(xué)獎一半授予湯斯，另一半授予蘇聯(lián)科學(xué)院列別捷夫物理研究所的巴索夫和普羅霍羅夫，以表彰他們從事量子電子學(xué)方面的基礎(chǔ)工作，這些工作導(dǎo)致了基于微波激射器和激光原理制成的振蕩器和放大器.梅曼也獲得了兩次諾貝爾獎提名，并獲得了物理學(xué)領(lǐng)域著名的日本獎和沃爾夫獎.肖洛則因為激光光譜學(xué)方面的卓越成就而獲得了1981年諾貝爾物理學(xué)獎.

4 案例分析

1）基礎(chǔ)科學(xué)的每一個發(fā)現(xiàn)總有它的應(yīng)用潛力.如前述，依據(jù)受激輻射理論，一個光子，可以引發(fā)一個相干光子，一個變兩個.那么，只要條件合適，就可以從兩個變四個，四個再變八個，……如此變下去，不就實現(xiàn)了光放大了嗎？于是人們認(rèn)識到，愛因斯坦提出的受激輻射理論，具有光放大的潛力.這就是對受激輻射理論“效應(yīng)潛力”的挖掘.

2）當(dāng)時人們已經(jīng)認(rèn)識到，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是放大的必要條件.為了實現(xiàn)這個條件，湯斯采用氨分子.這是因為湯斯對氨分子的特性很了解，而且之前已有人用微波的方法對氨分子的光譜作了深入研究，其精細(xì)結(jié)構(gòu)也被觀察.為了加強(qiáng)微波的放大，湯斯想到了加諧振腔.這是因為湯斯有微波研究的背景和經(jīng)驗，而在傳統(tǒng)微波線路中，諧振腔是主要器件之一.在后來的紅外及可見光波段的受激放大中，湯斯設(shè)計的封閉型諧振腔因為模式太復(fù)雜不好用.光學(xué)家肖洛熟悉光學(xué)儀器，就把它改用法布里－珀洛干涉儀代替，獲得了成功.知識面和經(jīng)驗決定了發(fā)明家的選擇.前述湯斯采用氨分子來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和微波激射器采用諧振腔，以及光激射器采用法布里－珀洛干涉儀作諧振腔，等等，都是“條件實現(xiàn)改進(jìn)法”的體現(xiàn).

3）微波激射器的諧振腔和光激射器的光學(xué)諧振腔，使輻射在其中反復(fù)振蕩，利用受激輻射的正反饋作用使得微波和光波極大地增強(qiáng)，可以看成“效應(yīng)倍增法”的使用.

4）激光器的發(fā)明，綜合了受激輻射理論、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、氣體固體能級結(jié)構(gòu)、諧振腔等基本理論.沒有這些基礎(chǔ)科學(xué)的積累，就不可能有激光器的發(fā)明，也不可能有開創(chuàng)性的發(fā)明.說明基礎(chǔ)科學(xué)的研究和積累，對形成一個國家創(chuàng)造力的極端重要性.另一方面，激光器的發(fā)明，顯然需要高深的物理學(xué)知識和物理實驗?zāi)芰?，從愛因斯坦高瞻遠(yuǎn)矚的受激輻射理論，到湯斯、肖洛等人對氣體、固體能級的理解，以及他們的實驗方案設(shè)計，都不可能由局外人參與，是一場責(zé)無旁貸地由物理學(xué)家親自扮演發(fā)明家的歷史大戲.這對中國的物理學(xué)家也許是一個啟示吧.

［1］ 劉家岡，李俊清，王本楠.物理學(xué)家的技術(shù)發(fā)明案例分析（Ⅰ）.物理與科學(xué)（待發(fā)表）

［2］ 劉家岡，李俊清，王本楠.物理學(xué)家的技術(shù)發(fā)明案例分析（Ⅱ）.物理與科學(xué)（待發(fā)表）

［3］ 董克.人類希望之光——激光.上海：上海交通大學(xué)出版社

［4］ Steven Chu and Charlesh Townes，Arthur Schawlow，Biographical Memoirs， V83， 2003， The National Academies Press，Washington，D.C.

2011－09－07）

劉家岡（1942年出生），男，漢族，湖南人，北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院教授，主要從事物理教學(xué)與研究.