朱安遠(yuǎn)

(北京金自天正智能控制股份有限公司　市場營銷中心,北京　100070)

激光之父：1964年諾貝爾物理學(xué)獎得主湯斯博士

——深切緬懷湯斯教授逝世1周年(四)

朱安遠(yuǎn)

(北京金自天正智能控制股份有限公司市場營銷中心,北京100070)

[摘要]美國實驗和理論物理學(xué)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(xué)家和微波波譜學(xué)家巴索夫以及普羅霍羅夫分享1964年諾貝爾物理學(xué)獎,還與多人共享“激光之父”之美譽。激光技術(shù)是20世紀(jì)人類的重大技術(shù)發(fā)明之一,為了紀(jì)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(xué)術(shù)成就與貢獻(xiàn)；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(shù)波瀾壯闊發(fā)展歷程的整個脈絡(luò)和概貌,還順便簡介了并非激光器的半導(dǎo)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(xué)獎中與激光技術(shù)密切相關(guān)的有關(guān)情況。

[關(guān)鍵詞]查爾斯·湯斯；能級(能態(tài))；躍遷；受激輻射；微波波譜學(xué)；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(xué)；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(shù)；光纖通信(光通信)；網(wǎng)絡(luò)；全息攝影術(shù)；精密測量；激光冷卻技術(shù)；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(xué)獎

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.14.173

2.10全息攝影術(shù)發(fā)明簡史

全息攝影術(shù)(holography)又稱全息照相術(shù),是一種利用光波的干涉原理以記錄被攝物體反射(或透射)光波的振幅(強(qiáng)度)和相位信息并使之再現(xiàn)的專門照相技術(shù)。通過一束參考光和被攝物體上反射的光在感光膠片上疊加產(chǎn)生干涉條紋而形成。為了滿足光的干涉條件,通常需要采用相干性好的激光作光源,且參考光束(reference beam)和物光束(object beam)要求是從同一束激光經(jīng)分束器(beam splitter)分離出來的高度相干光。感光膠片顯影后成為全息圖(hologram,即全息照片)。全息圖不僅記錄被攝物體反射光波的振幅,而且還能記錄反射光波的相對相位。全息圖并不直接顯示物體的圖像,在普通光源下看到的外觀僅是干涉條紋,用一束激光或單色光在接近于參考光的方向入射,可在適當(dāng)?shù)慕嵌壬嫌^察到原物體的立體圖像(實像或虛像)。這是因為激光束在全息圖的干涉條紋上衍射而重現(xiàn)原物體的光波,再現(xiàn)的圖像具有三維立體感且十分清晰。因在攝制全息圖時感光膠片上每一點都接收到整個物體反射的光,故全息圖的一小部分就可再現(xiàn)整個物體。用感光乳膠厚度等于幾個光波波長的感光膠片,可在乳膠內(nèi)形成干涉層,這樣制成的全息圖可用白光再現(xiàn)(廣泛應(yīng)用于制作防偽標(biāo)識)。如果用紅綠藍(lán)3種顏色的激光分別對同一物體用厚乳膠感光膠片攝制全息圖,經(jīng)適當(dāng)?shù)娘@影處理后,在白光(太陽光或燈光)下可觀察到有立體感的彩色全息圖。全息攝影術(shù)還可用于微波、紅外線、電子波、聲波(含超聲波)和X射線等。

全息圖的種類繁多,有許多不同的分類方法。如反射全息圖(可用白光再現(xiàn))和透射全息圖(除平面全息圖和彩虹全息圖以外,一般只能用單色光再現(xiàn))、平面全息圖和體全息圖、同軸全息圖(如蓋博全息圖)和離軸全息圖以及振幅全息圖和相位全息圖等。全息攝影術(shù)主要應(yīng)用于全息三維記錄和顯示、全息電影和電視、全息光學(xué)元件(如全息透鏡、全息光柵、全息濾光片、全息掃描器和全息分束器等)、全息顯微術(shù)、全息信息存儲和處理、全息干涉計量(如物體微小的形變和位移計量、無損檢測和場流分析等)以及軍事技術(shù)等方面。全息攝影目前主要有立體全息攝影和單面全息攝影2種方式。

1933—1948年蓋博任湯姆森—休斯頓公司(位于英格蘭沃里克郡拉格比Rugby)研發(fā)工程師,從事提高電子顯微鏡分辨率(當(dāng)時技術(shù)可達(dá)到的理論值是0.4 nm,實際上只能做到1.2 nm)的研究工作,受塞爾尼克在研究透鏡像差時使用相干背景來顯示相位(1938年)和勞倫斯·布拉格采用兩次X射線衍射使晶格的像重現(xiàn)(1939年)的工作啟發(fā),1947年復(fù)活節(jié)(4月6日)那天,他靈機(jī)一動,完全拋棄傳統(tǒng)的電子顯微鏡物鏡(由若干個透鏡組合而成的一個透鏡組)成像原理,首先構(gòu)思出一種全新的兩步無透鏡成像原理——波前重建(wavefront reconstruction,即波陣面重建)理論并獲得英國專利：[1～2]設(shè)想用經(jīng)物體衍射的電子波與相干的背景波相重疊,將物體衍射波的振幅和相位以干涉條紋的方式記錄在介質(zhì)(如感光膠片和全息干板等)中。在波陣面記錄過程中,引入適當(dāng)?shù)南喔蓞⒖脊獠ㄅc物光波進(jìn)行干涉,用介質(zhì)記錄下干涉后未聚焦的電子波,得到的干涉圖樣即全息圖。在波陣面再現(xiàn)過程中,用參考光照射全息圖,衍射光波中包含了物光波,從而再現(xiàn)了原物體的三維立體圖像。

蓋博首創(chuàng)的波前重建理論為全息攝影術(shù)的誕生奠定了理論基礎(chǔ)[3～5],1948年他利用光頻很窄的高壓石英汞燈(1927—1933年蓋博在柏林西門子—哈爾斯克公司任研發(fā)工程師時發(fā)明)發(fā)出的可見光代替電子波,首次獲得一張不太清晰但又包含所有信息的全息圖及其再現(xiàn)像,標(biāo)志著全息攝影術(shù)的正式誕生。1950年蘇格蘭鄧迪大學(xué)學(xué)院物理學(xué)家羅杰斯(Gordon L.Rogers)進(jìn)一步地豐富了波前重建理論并制作出首張相位全息圖。[6]因當(dāng)時無理想的相干光源,受同軸全息孿生像的干擾,成像質(zhì)量很差。1952年美國籍墨西哥裔物理學(xué)家貝茲(Albert Vinicio Baez,1912.11.15—2007.03.20)將全息術(shù)思想推廣到X射線領(lǐng)域,醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究利用X射線全息術(shù)可把最細(xì)微的病菌分子顯示出來。

1960年激光器的發(fā)明給全息攝影術(shù)帶來了新的生命。激光是一種單色的高強(qiáng)度相干光,是制作全息圖最理想的光源,借此全息攝影術(shù)才有了實質(zhì)性進(jìn)展并實現(xiàn)實用化,它的迅速發(fā)展使其成為現(xiàn)代光學(xué)(其進(jìn)展主要集中體現(xiàn)在4個方面：信息光學(xué)、激光、非線性光學(xué)和光電子學(xué))中一個十分活躍的分支。1962年密歇根大學(xué)雷達(dá)實驗室的電氣工程師利思(Emmett Norman Leith,1927.03.12—2005.12.23)和烏帕特尼克斯(Juris Upatnieks,1936.05.07—)將通信理論中的載頻概念推廣到空域,單獨引入分離的斜參考光束,利用氦氖激光器發(fā)明了離軸全息術(shù),成功地得到首張實用的激光全息圖[7],這是全息攝影術(shù)的重大突破,為其發(fā)展和應(yīng)用開辟了廣闊前景,標(biāo)志著全息攝影術(shù)已步入成熟時代。1964年他倆又提出漫射全息圖的概念,利用漫射照明制作出激光透射全息圖,首次得到生動逼真的三維物體的清晰立體再現(xiàn)像。1963年蓋博在美國麥克唐納—道格拉斯電子公司研制出一種可攝制與物體同樣大小的全息攝影顯示器,通過它拍攝出來的照片具有驚人的立體感,與實物的區(qū)別僅僅在于你不能用手觸摸到他,故這種照片最初被稱作“幽靈”。

前蘇聯(lián)列寧格勒瓦維洛夫國家光學(xué)研究所(Nikolai Ivanovich Vavilov State Optical Institute)物理學(xué)家丹尼蘇克(Yuri Nikolaevich Denisyuk,1927.07.27—2006.05.14)成功地分析了運動源發(fā)出的光的相位共軛,1962年基于李普曼(1908PH)的駐波彩色照相法而研制出反射全息圖[8],其顯著優(yōu)點是再現(xiàn)時無須激光器,只需普通白熾燈即可。在全息圖的碎片能再現(xiàn)物體完整圖像的事實啟發(fā)下,1969年美國發(fā)明家本頓(Stephen Anthony Benton,1941.12.01—2003.11.09)在寶利來(Polaroid)研究實驗室研制全息電視時,采用兩步法首次研制成功彩虹全息圖(rainbow hologram)[9],用白光可再現(xiàn)彩虹像,是全息攝影術(shù)歷史上的重大進(jìn)展。1973年美國激光物理學(xué)家克羅斯(Lloyd G.Cross)將白光透射全息攝影術(shù)和常規(guī)電影中制作三維圖像技術(shù)結(jié)合起來,發(fā)明了柱面多幅合成彩虹全息圖。1978年馬里蘭大學(xué)華裔物理學(xué)家陳選(Hsuan Chen)和楊振寰(Francis T.S.Yu,1932—)首創(chuàng)一步法制作彩虹全息圖。[10]1980年美國科學(xué)家利用壓印全息技術(shù),將全息表面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到聚酯薄膜上,成功地印制出世界上首張模壓全息圖。彩虹全息圖是一種平面全息圖,與反射全息圖相比,它處理工藝簡單,易于批量復(fù)制,為全息攝影術(shù)商業(yè)化邁出可喜的一步,掀起了以白光再現(xiàn)為主要特征的全息三維顯示新高潮,它與當(dāng)時發(fā)展日趨成熟的全息圖模壓復(fù)制技術(shù)相結(jié)合而形成了風(fēng)靡全球的全息印刷產(chǎn)業(yè),廣泛用作于激光全息防偽標(biāo)記。1983年萬事達(dá)卡(MasterCard)成為首個使用全息技術(shù)防偽的銀行卡。1988年10月18日奧地利發(fā)行的面值8先令郵票是世界上首枚帶有全息防偽圖案的郵票。

1965年美國密歇根大學(xué)物理學(xué)家羅伯特·鮑威爾(Robert L.Powell)和斯泰特森(Karl A.Stetson)首倡全息干涉計量術(shù)HI(holographic interferometry)。[11]1967年美國康達(dá)通公司(Conductron Corp.,后被并入麥克唐納—道格拉斯電子公司)電氣工程師西伯特(Larry Siebert)博士采用脈沖激光首次獲得人體三維肖像全息圖。1971年激光被用于全息攝像和舞臺光影效果設(shè)計而進(jìn)入藝術(shù)世界領(lǐng)域。1994年法國激光專家根特兄弟(Yves Gentet；Philippe Gentet)發(fā)明了世界上首臺便攜式全息俏像攝像機(jī),有人將他們評論為“唯一真正實現(xiàn)全息攝影再現(xiàn)自然功能的人”。1999年美國斑馬圖像制作(Zebra Imaging)公司推出真彩色數(shù)字化大面積、大視場、大景深光聚合物反射全息圖,推動了三維顯示全息圖的進(jìn)一步發(fā)展和市場化。這種全息圖將全息技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來,形成了新的數(shù)字化和自動化像素全息圖技術(shù)。

綜上所述,全息攝影術(shù)發(fā)展經(jīng)歷過的4個階段是：①第一階段(萌芽期)：同軸全息,汞燈光記錄和再現(xiàn)。光源的相干性很差,存在孿生像問題,再現(xiàn)像質(zhì)量很差。②第二階段(成熟期)：離軸全息,激光記錄和再現(xiàn)。離軸全息術(shù)采用斜參考光束來形成一個均勻的相干底襯,解決了孿生像、原始像、共軛像和直流分量分離等問題,有效地克服了同軸全息術(shù)的本質(zhì)缺陷。③第三階段(快速發(fā)展期)：激光記錄,白光再現(xiàn)。早期激光器是專用實驗設(shè)備,激光記錄和再現(xiàn)的全息圖失去了色彩和色調(diào),顏色單一。為了改變這一狀況,科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)明了白光反射全息、像面全息、彩虹全息、真彩色全息和模壓全息等技術(shù)。④第四階段(探索發(fā)展期)：白光記錄(計算機(jī)制作全息圖),白光再現(xiàn)。因激光的高度相干性,要求全息圖攝制過程中的各個元器件、光源和記錄介質(zhì)的相對位置嚴(yán)格不變,對拍攝環(huán)境和光源的要求很高,此外還可能存在嚴(yán)重的相干噪聲,給全息圖的實際應(yīng)用帶來不便,故人們已開始探討白光記錄全息圖的可能途徑。

2.11激光技術(shù)在頻率精密測量中的應(yīng)用

頻率測量在精密測量中的地位十分重要,很多物理量的準(zhǔn)確度都期望轉(zhuǎn)化為頻率(時間)的測量,如今頻率(時間)基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度最高,已遙遙領(lǐng)先于其他物理量。[12]1960年代激光發(fā)明以后,科學(xué)家們就開始進(jìn)行激光頻率的精密測量研究。1969年約翰·霍爾領(lǐng)導(dǎo)的小組研制出甲烷(CH4)穩(wěn)頻氦氖激光器(3.39 μm),其波長不確定度高達(dá)10-11。[13]1972年以±3.5×10-9的相對誤差測得光速c=299792456.2(1.1)m/s[14],同年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局建立起測量甲烷穩(wěn)頻氦氖激光頻率的光頻鏈。

1972年亨施小組利用自己發(fā)明的飽和吸收光譜和氣體放電法[15],首先測定氫原子n=2→n=3的躍遷光譜,從中消除了多普勒展寬(Doppler broadening),分辨出巴耳末Ha線系中的精細(xì)分裂和拉姆位移。[16]1974年測出Ha線系2P3/2→3D5/2分量的真空波長波數(shù)和里德伯常數(shù)R∞值,它們有效數(shù)字均達(dá)到9位。[17]1975年利用消多普勒雙光子光譜學(xué)技術(shù)和飽和光譜技術(shù)精確測量出氫原子能級的拉姆位移。[18]亨施小組繼續(xù)改進(jìn)測量方法和手段,1987年利用雙光子躍遷光譜法直接測出氫原子1S-2S的躍遷波長,其有效數(shù)字達(dá)10位[19],1992年又利用原子束與甲烷光頻標(biāo)法直接測量到更為精確(測量準(zhǔn)確度提高了18倍)的氫原子1S-2S的躍遷波長和里德伯常數(shù)[20],1997年利用原子束與高準(zhǔn)確度甲烷光頻標(biāo)(光鐘)加雙光子躍遷光譜法,將氫原子1S-2S的躍遷波長和里德伯常數(shù)的測量準(zhǔn)確度提高到13位有效數(shù)字。[21]2000年利用光頻梳技術(shù),以巴黎天文臺銫噴泉鐘為基準(zhǔn),進(jìn)一步地將氫原子1S-2S的躍遷波長、里德伯常數(shù)和拉姆位移的測量準(zhǔn)確度提高到14位有效數(shù)字。[22]在此基礎(chǔ)上,2004年亨施小組還精密測量出超精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α。[23]氫原子結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量已是所有原子結(jié)構(gòu)參數(shù)測量中最為精密的一種。

精密光譜學(xué)家將激光頻率精密控制技術(shù)和非線性光學(xué)技術(shù)應(yīng)用到對超短脈沖激光場的控制,通過對飛秒超短脈沖激光在時域、頻域和相位特性上同時實現(xiàn)精密控制和相干傳遞,獲得頻譜覆蓋可見光和近紅外區(qū)(0.50～1.15 μm)的穩(wěn)頻飛秒光學(xué)頻率梳OFC(optical frequency comb,又稱光學(xué)頻率梳狀發(fā)生器,簡稱光頻梳或飛秒光梳),這項研究成果被認(rèn)為是精密激光光譜學(xué)和計量學(xué)的一場革命。利用激光脈沖進(jìn)行頻率精密測量的思想最早由前蘇聯(lián)科學(xué)院院士契巴塔耶夫(Veniamin Pavlovich Chebotayev,1938.08.27—)和亨施教授提出。[24～25]1978年亨施小組利用鎖模氬激光直接泵浦染料激光器,獲得亞皮秒級脈沖并精密測定了鈉原子4d態(tài)的精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂[26],這是以鎖模激光器作為精密光頻尺子(即光頻梳)的早期實例。直到1999年亨施小組才取得根本性突破,他們利用飛秒鎖模激光器首次研制成功光頻梳[27],接著又解決了頻率的絕對值測量問題[28],從而使得超精密光頻測量技術(shù)再獲重大進(jìn)展,堪稱光頻計量學(xué)發(fā)展史上新的里程碑。2008年光頻梳技術(shù)開始應(yīng)用于超精密天文光譜學(xué),并應(yīng)用于全球(衛(wèi)星)定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)的軌道原子鐘。

2.12激光冷卻技術(shù)與玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC)

1924年印度數(shù)學(xué)物理學(xué)家玻色(Satyendra Nath Bose,FRS,1894.01.01—1974.02.04)提出黑體輻射是全同性光子理想氣體的觀點,研究了光子在各能級上的分布問題,以完全不同于經(jīng)典電動力學(xué)的統(tǒng)計方法推導(dǎo)出普朗克黑體輻射公式。他將論文寄給愛因斯坦,愛因斯坦馬上意識到該文的重要性,親自將其譯成德文發(fā)表。[29]緊接著,愛因斯坦將玻色對光子的統(tǒng)計方法推廣到全同性原子(單原子)或全同性分子(單分子)理想氣體,并預(yù)言這類微粒在足夠低的溫度(此時微粒的速度足夠慢且相距足夠趨近)時,所有粒子就會突然“凝聚”到一種盡可能低的單一量子能態(tài)(即所有粒子具有幾乎相同的波動相位),類似于在氣體中形成液滴,此時它們將發(fā)生相變而成為一種新的物質(zhì)形態(tài)(繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子體態(tài)以后的第五種物質(zhì)形態(tài))[30～31],后人稱之為玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)BEC(Bose—Einstein condensate)。BEC可看作是被宏觀集居的樣品原子所占有的量子態(tài),處于這種宏觀量子態(tài)的微觀粒子,其總自旋一定為零或整數(shù)(即玻色子),所有粒子都處于最低的單一量子能態(tài)且具有相同的物理特征,其性質(zhì)類似于單個粒子,整個凝聚體可用一個單粒子波函數(shù)來描述。理論研究表明：這種單粒子波函數(shù)在處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時,具有量子化的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象被稱為量子渦旋(vortex)。

激光的發(fā)明為冷卻和俘獲(囚禁)氣體原子提供了一種新方法,通過受激吸收和自發(fā)輻射光子,可減少原子的動量,以獲得超低溫原子[32],激光冷卻的效率極高。1968年前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家列托霍夫(Vladilen Stepanovich Letokhov,1939.11.10—2009.03.21)首先提出利用激光駐波場來俘獲低速中性原子(即不顯電性的原子)的思想并于1979年通過實驗首次觀測到激光減速原子效應(yīng)。[33]1970年貝爾實驗室實驗物理學(xué)家阿斯金(Arthur Ashkin,1922.09.02—,后就職于朗訊科技,被譽為“光鑷之父”)采用一束高斯型激光成功地在垂直于光的傳播方向上束縛了懸浮在水中的聚苯乙烯微粒[34],這一實驗將光輻射壓力的應(yīng)用從原子量級擴(kuò)展到微米級,從而導(dǎo)致1986年光鑷(optical tweezer,又稱single-beam gradient force optical trap,即單光束梯度力光阱)的發(fā)明,這是激光原子阱(簡稱光阱)的首次實現(xiàn)[35],運用光鑷可操縱生物活細(xì)胞和其他微小物體。1986年朱棣文小組首次觀測到原子俘獲。[36]1975年2組科學(xué)家(斯坦福大學(xué)亨施和肖洛[37]、華盛頓大學(xué)維因蘭德和德默爾特[38],后者的方案優(yōu)于前者)首先獨立地提出利用相向激光束來冷卻中性原子的建議,這是多普勒冷卻的開端,標(biāo)志著原子光學(xué)的誕生,它是研究中性原子與電場、磁場和光場等物質(zhì)相互作用及其冷卻、俘獲、操控與應(yīng)用的一門新興學(xué)科。類似地可定義電子光學(xué)、光子光學(xué)、中子光學(xué)、離子光學(xué)和分子光學(xué)等。

中性原子俘獲技術(shù)涉及物理學(xué)3個著名的效應(yīng)：①多普勒效應(yīng)(Doppler effect,又稱多普勒頻移)：波源與觀察者(接收器)之間有相對運動時,觀測到的波頻率與波源發(fā)出的波頻率不同的現(xiàn)象(兩者接近接收到的頻率增大,反之亦然)。1842年由奧地利數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家多普勒(Christian Andreas Doppler,1803.11.29—1853.03.17)首先發(fā)現(xiàn)。②塞曼效應(yīng)(Zeeman effect,屬于磁光效應(yīng)范疇)：置于外加磁場中的光源,因固有磁偶極矩影響,其原子和分子光譜譜線(能級)發(fā)生磁致分裂的現(xiàn)象,分為正常塞曼效應(yīng)和反常塞曼效應(yīng)(anomalous Zeeman effect)2種。1896年由塞曼(1902PH22)首先發(fā)現(xiàn)。③斯塔克效應(yīng)(Stark effect,屬于光吸收變化方面的電光效應(yīng))：置于外加電場中的光源,因固有電偶極矩影響,其原子和分子光譜譜線(能級)發(fā)生位移和分裂的現(xiàn)象。斯塔克效應(yīng)對應(yīng)于帶電粒子譜線的壓力增寬(即斯塔克增寬)。1913年由斯塔克(1919PH)首先發(fā)現(xiàn)。當(dāng)譜線的分裂或位移在吸收線發(fā)生時則稱為逆斯塔克效應(yīng)(inverse Stark effect)。

中性原子激光冷卻機(jī)制分為三大類：[39]①多普勒冷卻(Doppler cooling)：利用原子運動所產(chǎn)生的多普勒頻移來實現(xiàn)冷卻,1978年首先被維因蘭德小組所證實。[40]多普勒頻移補(bǔ)償方法又發(fā)展出激光掃描法、慢散射激光冷卻、塞曼頻移補(bǔ)償法和白光(寬帶)激光冷卻等。②亞多普勒冷卻(sub-Doppler cooling)：1988年采用飛行時間TOF(time of flight)技術(shù)測得的鈉原子冷卻溫度只有80 μK,遠(yuǎn)低于多普勒冷卻鈉原子的理論極限溫度240 μK。為了解釋這種現(xiàn)象而衍生出偏度梯度冷卻(polarization gradient cooling,又稱西西弗斯冷卻,利用光場的相位梯度)[41～42]、強(qiáng)度梯度感應(yīng)的西西弗斯冷卻(Sisyphus cooling,利用光場的強(qiáng)度梯度)和磁感應(yīng)冷卻等。③亞反沖冷卻(sub-recoil cooling)：如果原子幾乎是靜止的,免去了吸收—發(fā)射循環(huán),原則上就可以在稀薄原子蒸氣中達(dá)到比光子反沖冷卻(即亞多普勒冷卻)極限還要低的溫度。如速度選擇相干集居俘獲VSCPT(velocity-selective coherent population trapping)冷卻、拉曼冷卻(Raman cooling)、蒸發(fā)冷卻、絕熱冷卻和協(xié)同冷卻等。1986年科昂—塔努吉教授的學(xué)生達(dá)利巴爾(Jean Dalibard)在和MIT物理學(xué)教授普里特查德(David E.Pritchard,1941.10.15—)的私人通信中,首先提出一種有效地冷卻和俘獲原子的新方案——磁光阱MOT(magneto-optical trap),翌年由普里特查德和朱棣文小組在實驗上首次實現(xiàn)。[43]

激光冷卻中性原子研究的7個重要歷史發(fā)展進(jìn)程：[44]①1980年前蘇聯(lián)物理學(xué)家米納根(Vladimir Georgievich Minogin,1950.04.04—)采用激光掃描法在1.5 K低溫時實現(xiàn)了較顯著的原子束減速。[45]②1982年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局威廉·菲利普斯和紐約州立大學(xué)麥卡夫(Harold J.Metcalf,1940.06.11—)采用塞曼移頻補(bǔ)償法在100 mK低溫時實現(xiàn)了顯著的原子束減速。[46]③1985年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局米格達(dá)爾(Alan L.Migdall)小組采用塞曼移頻補(bǔ)償法和磁原子阱(磁四極阱,即磁阱的首次實現(xiàn))技術(shù)實現(xiàn)17 mK。[47]④1985年貝爾實驗室朱棣文小組通過多普勒冷卻中的光學(xué)粘膠(optical molasses,又譯為光學(xué)粘團(tuán))技術(shù)將中性鈉原子的稀薄蒸氣冷卻到240 μK[48],首次實現(xiàn)了激光冷卻和俘獲氣體原子。這樣就開始了在氣室中直接冷卻和俘獲中性原子的歷史,這是后來最終實現(xiàn)BEC的重要技術(shù)基礎(chǔ)。⑤1988年美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所利特(Paul David Lett)小組采用偏度梯度冷卻法獲得43 μK低溫。[49]⑥1988—1990年巴黎冷卻小組將亞穩(wěn)態(tài)氦原子一維VSCPT冷卻到2 μK[50～52],1994年二維VSCPT冷卻到250 nK,1995年三維VSCPT冷卻到180 nK。[53]⑦1991年朱棣文小組在原子噴泉實驗中利用拉曼冷卻機(jī)制將氣體原子冷卻到100 nK級的超低溫狀態(tài)。[54～56]

經(jīng)多年嘗試,科學(xué)家們在實現(xiàn)氫原子氣體BEC(1998年最終由MIT科學(xué)家得以實現(xiàn)[57])實驗受挫后,基于新的激光冷卻和俘獲原子技術(shù),開始將注意力轉(zhuǎn)移到利用堿金屬稀薄原子氣體實現(xiàn)BEC。美國天體物理學(xué)實驗室聯(lián)合研究所JILA(Joint Institute for Laboratory Astrophysics,1962年由科羅拉多大學(xué)CU和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局NBS聯(lián)合創(chuàng)辦)埃里克·康奈爾和卡爾·維曼小組采用磁光阱和蒸發(fā)冷卻混合方式,從170 nK低溫開始實驗,1995年6月5日當(dāng)降至20 nK的極低溫度時,首次直接觀測到約2000個銣原子(Rb87)在蒸氣中形成BEC(即通過實驗近似地實現(xiàn)了BEC)。[58～60]稍后美國萊斯大學(xué)物理學(xué)家休利特(Randall G.Hulet,1956.04.27—)小組初步實現(xiàn)了鋰原子(Li7)BEC[61],理論上表明鋰原子數(shù)小于1400時才會形成BEC,否則BEC就會“崩塌”,故當(dāng)時存在較大爭議,直至1997年他們終于令人信服地實現(xiàn)了約1000個鋰原子氣體BEC。[62]1995年9月20日,MIT凱特勒小組在2 μK溫度鈉原子(Na23)蒸氣中也獨立地實現(xiàn)了BEC[63],他們通過聚焦在磁光阱中心的強(qiáng)大激光束來防止原子的丟失,得到了由50萬個鈉原子組成的凝聚態(tài),且信噪比高,從而使得測量凝聚態(tài)的性質(zhì)成為可能。同年5月,該小組在新設(shè)計的所謂四葉式磁阱(cloverleaf trap,其性能優(yōu)于磁光阱)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步地使500萬個鈉原子形成BEC。[64]從形成BEC到實現(xiàn)原子激射器的關(guān)鍵一步是設(shè)計出BEC的輸出耦合器,1996年10月該小組通過在四葉式磁阱中送入與鈉原子的一對超精細(xì)能級共振的射頻脈沖,鈉原子BEC像水滴般地從阱中輸出,發(fā)出空間分布呈月牙形的原子束脈沖狀凝聚體,就如同普通激光的光子束脈沖一樣,故被稱為原子激射器(atom laser,直譯為“原子激光器”似不妥,因為它發(fā)射的是準(zhǔn)連續(xù)的相干原子束而不是“光”[65])。[66～67]將BEC分成獨立且互相滲入的兩團(tuán),在重疊區(qū)用吸收成像法可觀測到高反襯度的干涉條紋,1997年證實了BEC是一種相干物質(zhì)波。[68～69]1999年4月普朗克量子光學(xué)研究所慕尼黑小組研制出可連續(xù)輸出超過100 ms的銣原子激射器,輸出原子束的強(qiáng)度和動能通過調(diào)節(jié)弱耦合脈沖場來控制[70],同年在銣原子BEC中首先證實量子渦旋現(xiàn)象[71],2001年利用感應(yīng)冷卻法(sympathetic cooling)又實現(xiàn)了鉀原子氣體BEC。[72]

2002年有報道說使用激子在超出絕對溫度1 K時已觀察到BEC,同年德國物理學(xué)家在激光束構(gòu)筑的三維能量點陣中,通過改變激光能量,首次成功地實現(xiàn)了BEC下銣原子氣體的超流態(tài)和絕緣態(tài)的可逆轉(zhuǎn)換。2003年12月16日,由NIST/JILA美國女華裔物理學(xué)家黛博拉·金(中文名金秀蘭,Deborah Shiu-Lan Jin,1968.11.15—,2005年當(dāng)選為美國國家科學(xué)院院士)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首次(近似地)實現(xiàn)了新的第六種物質(zhì)形態(tài)——費米子凝聚態(tài)(fermionic condensate),這是將50萬個鉀原子(K40)降至50 nK的極低溫度下才得到的。此項研究成果于2004年1月24日發(fā)表在《物理評論快報》網(wǎng)絡(luò)版。對費米子凝聚態(tài)的研究有助于解釋某些物質(zhì)是如何成為超導(dǎo)體的,未來還將可能被應(yīng)用于精密測量和量子計算等領(lǐng)域。2010年11月德國波恩大學(xué)應(yīng)用物理研究所科學(xué)家們首次觀察到光子BEC。[73]

2.13發(fā)光二極管(LED)的發(fā)展概況

人類歷史上使用過的四代照明光源：①第一代是各種火光：如油燈和蠟燭等。②第二代是電阻類熱輻射型發(fā)光燈：如白熾燈(1879年10月21日愛迪生試制成功碳絲白熾燈,1910年被他人改進(jìn)為鎢絲白熾燈)及其變種——鹵素?zé)舻取?913年美國物理化學(xué)家朗繆爾(1932CH)在玻殼中充入氬氣以防止燈絲蒸發(fā)而發(fā)明了充氣鎢絲燈泡,因“在物理學(xué)和化學(xué)方面提高了白熾燈的性能”而榮獲1937年約翰·斯科特獎?wù)隆＂鄣谌歉鞣N電弧或氣體放電發(fā)光燈,如(節(jié)能)熒光燈(俗稱日光燈)、氙氣燈和高強(qiáng)度氣體放電燈HID(high intensity dischange,如高壓汞燈和高壓鈉燈等)等。④第四代是半導(dǎo)體固態(tài)芯片(晶片)新光源(被譽為新型高效節(jié)能環(huán)保型“綠色光源”),即各種LED燈。半導(dǎo)體照明技術(shù)是人類固體照明史上繼白熾燈之后的第二次革命。1938年德國物理學(xué)家肖特基(Walter Hermann Schottky,1886.07.23—1976.03.04)發(fā)明的肖特基勢壘二極管SBD(Schottky barrier diode,簡稱肖特基二極管)是首個廣義上的發(fā)光二極管。

發(fā)光效率(簡稱光效)是指發(fā)光材料(工作物質(zhì))把吸收的激發(fā)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿哪芰?。根?jù)不同的著重點,常用的3種表述形式是：①量子效率：發(fā)光材料發(fā)射的光子數(shù)與激發(fā)時吸收或注入的光子或電子數(shù)之比,其值可大于1。又分為內(nèi)量子效率與外量子效率兩種,前者是指發(fā)光材料內(nèi)部發(fā)射的光子數(shù)與吸收或注入的粒子數(shù)之比,后者是指出射到發(fā)光體外部的光子數(shù)與吸收或注入的粒子數(shù)之比,顯然內(nèi)量子效率大于外量子效率。②功率效率：總發(fā)射光的功率與總吸收光的功率之比,其值總小于1。LED的功率效率可達(dá)80%～90 %。③流明效率(又稱光度效率)：發(fā)射的光通量(其單位是流明)與激發(fā)時輸入的總功率之比,它在與人眼視覺有關(guān)的應(yīng)用中特別重要。普通白熾燈的流明效率一般是10～15 lm/W。

1961年德州儀器公司(Texas Instruments Inc.)電氣工程師畢亞德(James R.″Bob″ Biard,1931.05.20—)和皮特曼(Gary E.Pittman)在試圖研制激光隧道二極管時,“意外”地發(fā)明了GaAs紅外LED(900 nm)并獲得美國專利[74],這是首個現(xiàn)代LED專利。1962年10月9日GE電氣研究實驗室物理學(xué)家和發(fā)明家何倫亞克(Nick Holonyak,Jr.,1928.11.03—,被譽為“LED之父”和“紅光之父”)等人采用氣相外延法VPE(Vapor Phase Epitaxy)在GaAs襯底上生長出GaAs1-xPx,研制成功世界上首只實用型可見光(紅色)發(fā)光二極管LED(light-emitting diode,710 nm,其光效約為0.11 lm/W,被視為“現(xiàn)代LED之祖”)[75],人稱“魔力之光”,它是典型的冷光源(通過半導(dǎo)體電子躍遷以電磁輻射形式發(fā)光而不是以熱能輻射形式發(fā)光,故名。普通LED燈將電能轉(zhuǎn)化為光能的功率效率是30%～40%,其散熱問題仍很重要。傳統(tǒng)白熾燈的功率效率則只有5%左右)且經(jīng)久耐用,將逐漸取代熱光源(如白熾燈、鹵素?zé)艉凸?jié)能熒光燈等)的傳統(tǒng)通用照明市場。半導(dǎo)體激光二極管(LD)和LED都是采用半導(dǎo)體材料p-n結(jié)或異質(zhì)結(jié)的注入式電致發(fā)光EL(electroluminescence,又稱場致發(fā)光)原理而制成,前者是一種激光器,后者是一種將電能轉(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)半導(dǎo)體器件(無諧振腔),靠注入有源區(qū)的載流子自發(fā)輻射發(fā)出非相干的復(fù)合熒光。2007年愛思唯爾(Elsevier)旗下的《今日材料》(MaterialsToday,1998年創(chuàng)刊)月刊將“半導(dǎo)體激光器和LED的發(fā)明”列為全世界50年以來材料科學(xué)領(lǐng)域的十大科技進(jìn)展之一。[76]

1962年10月德州儀器公司推出首款商用GaAs紅外LED(SNX-100,870 nm),單價130美元；1963年GE公司推出首款商用磷砷化鎵(GaAsP)紅色LED(665 nm),單價260美元。1966年IBM托馬斯·沃森研究中心魯普雷希特和伍德爾小組運用LPE技術(shù),用硅(Si)兩性摻雜形成p-n結(jié),研制出首個高效紅外LED,其外量子效率高達(dá)6%。[77]1968年貝爾實驗室洛根(Ralph A.Logan)小組研制出摻N的GaP綠色LED(550 nm,其光效僅～0.3%)[78],1971年西澤潤一采用自己發(fā)明的蒸氣壓控制溫差式LPE(這種方法在高亮度LED制作工藝中曾發(fā)揮過重要作用)GaP∶N,也開發(fā)出綠色LED(552 nm,其光效亦很低),同年夏美國RCA公司潘科夫(Jacques Isaac Pankove,1922.11.23—)小組采用MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)結(jié)構(gòu)研制出電流注入式摻鋅(Zn)氮化鎵(GaN)藍(lán)色LED(475 nm,未實現(xiàn)p型半導(dǎo)體,其外量子效率僅0.1%,因光效和亮度都太低而于1974年停止研究)。[79]1972年美國孟山都公司(Monsanto company)電氣工程師克勞福德(M.George Craford,被譽為“黃光之父”)小組研制出摻N的GaAsP/GaP黃色LED[80],有效地提高了光效并將紅色和橙紅色(red-orange)LED的亮度提升1個數(shù)量級。1973年斯坦福大學(xué)馬魯斯卡(Herbert Paul Maruska)小組研制出紫色LED,它是后來藍(lán)色LED發(fā)展的基礎(chǔ)。[81]1976年貝爾實驗室皮爾索爾(Thomas P.Pearsall)小組研制成功專用于光纖通信的高效高亮度LED,他們發(fā)明的一種新型半導(dǎo)體材料特別適合于光纖傳輸?shù)牟ㄩL。[82]1987年柯達(dá)公司研究實驗室美籍華裔物理化學(xué)家鄧青云(Ching Wan Tang,1947.07.23香港—,被譽為“OLED之父”,2011年獲沃爾夫化學(xué)獎)和范斯萊克(Steven A.Van Slyke)利用超薄膜技術(shù)發(fā)明了有機(jī)發(fā)光二極管OLED(organic LED,其光效比普通LED低得多,但制造成本亦低很多)[83],其發(fā)光原理與普通LED一樣,故又稱有機(jī)電致發(fā)光OEL(organic EL),LED/OLED是第三代顯示技術(shù)的代表(第一代顯示技術(shù)的代表是陰極射線管CRT=cathode ray tube,第二代顯示技術(shù)的代表是等離子顯示板PDP=plasma display panel和液晶顯示器LCD=liquid crystal display)。2012年美國《應(yīng)用物理學(xué)快報》雜志創(chuàng)刊50周年時,其官網(wǎng)公布了自創(chuàng)刊以來被引用次數(shù)前50名的論文(含并列者共計53篇),文獻(xiàn)[83]名列第一。1991年美國UCSB物理化學(xué)家和有機(jī)化學(xué)家艾倫·黑格(2000CH31,被譽為“有機(jī)光電子學(xué)之父”和“合成金屬之父”)小組采用甲氧基異辛氧基取代的聚對苯乙烯撐(MEH-PPV)在ITO(indium-tin oxide,即氧化銦錫透明導(dǎo)電膜玻璃)上旋涂成膜,研制出量子效率為1%的橘紅色LED[84],揭開了高分子發(fā)光二極管PLED(polymer LED,又稱聚合物L(fēng)ED)研究的序幕,從此高分子發(fā)光器件開始成為有機(jī)電致發(fā)光領(lǐng)域與小分子發(fā)光器件并駕齊驅(qū)的重點研究方向。

1985年西澤潤一小組研制出硒化鋅(ZnSe)藍(lán)色LED(460～480 nm)[85],1991年明尼蘇達(dá)州3M公司漢斯(Michael A.Haase)小組研制出ZnSe藍(lán)綠LED(490 nm,液氮低溫下脈沖輸出)[86],因其壽命短和亮度低而未能得到實用,但由此人們發(fā)現(xiàn)了寬禁帶半導(dǎo)體材料在光電子領(lǐng)域的重要作用。1992年日本日亞化學(xué)工業(yè)株式會社(Nichia Chemical Industries Corp.)工程師中村修二采用熱退火技術(shù)和摻Mg工藝成功制備出在低溫緩沖層的寬能隙GaN薄膜,他采用的是自己發(fā)明的價格相對低廉的改進(jìn)型MOCVD法(Tsufuro MOCVD)而不是價格昂貴的分子束外延法(MBE)來制備半導(dǎo)體單晶薄膜,他所發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體(GaN/InN/AlN)結(jié)晶膜的生長方法是藍(lán)色LED生產(chǎn)的關(guān)鍵性技術(shù)并獲得日本專利(中村修二在4年時間內(nèi)解決了材料制備工藝方面的兩個重大技術(shù)難題：一是高質(zhì)量GaN薄膜的生長,二是GaN空穴導(dǎo)電的調(diào)控)。[87]1993年10月他發(fā)明了高效明亮電流注入式雙異質(zhì)結(jié)InGaN/AlGaN藍(lán)色LED(外量子效率達(dá)2.7%,藍(lán)色LED因在材料結(jié)晶環(huán)節(jié)遇阻曾被斷言“難以在20世紀(jì)實現(xiàn)”,故此發(fā)明被譽為“世紀(jì)發(fā)明”)[88],隨后他又發(fā)明了高亮度氮化銦鎵(InGaN)紫外、紫色、藍(lán)紫、藍(lán)色和藍(lán)綠色LED(其光強(qiáng)比GaN高5倍)以及AlGaInP超高亮度橙紅色LED(625 nm)、橙色LED(610 nm)和黃色LED(590 nm)。實用型藍(lán)色LED發(fā)明后,通過三基色(三原色)RGB(red,green,blue)原理而導(dǎo)致高亮度節(jié)能環(huán)保型白色LED的出現(xiàn),標(biāo)志著LED正式進(jìn)入商業(yè)照明市場,邁出了LED照明實用化至關(guān)重要的一步,具有重大的歷史意義和很高的商業(yè)價值。1995年中村修二小組首次實現(xiàn)GaN/InGaN量子阱LED[89],1996年研制成功電脈沖泵浦InGaN/GaN多量子阱紫光LD(417 nm)[90～91],同年還報道InGaN多量子阱室溫連續(xù)藍(lán)光LD。[92～93]1996年中村修二提出利用InGaN藍(lán)色LED(460～470 nm)激發(fā)黃色熒光粉以制造白色LED的方法,利用這種熒光粉技術(shù)可以制造出其他顏色(如紫色和粉紅色等)LED。1997年1月加州大學(xué)圣塔巴巴拉分校教授中村修二、德巴拉斯(Steven P.DenBaars)和斯佩克(James S.Speck)宣布開發(fā)出高亮度藍(lán)紫色GaN脈沖激光器。2007年1月中村修二又發(fā)明了非極性GaN藍(lán)紫色LD(用于藍(lán)光DVD),使得GaN材料一躍而成為當(dāng)今研究最為熱門的寬禁帶半導(dǎo)體材料。III簇氮化物是直接帶隙半導(dǎo)體材料,發(fā)光范圍從紫外到紅外而覆蓋整個可見光區(qū),是理想的光電器件材料。[94]2014年3月美國科銳(Cree)照明公司(國際知名LED芯片供應(yīng)商)宣布已在實驗室研制成功流明效率為303 lm/W的白色LED。以藍(lán)色LED為核心技術(shù)的半導(dǎo)體照明具有壽命長、色彩可控、無汞和低壓工作等優(yōu)點,有著巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的市場空間,可大大降低能源消耗和溫室氣體的排放。實現(xiàn)全色白光LED(非三基色合成)和不可見光LED的技術(shù)難度則更大。

現(xiàn)有的三條LED照明技術(shù)路線：①第一條路線(主流技術(shù)路線)：以日本Nichia公司為代表的藍(lán)寶石襯底GaN基藍(lán)色LED(2014年諾物獎獲獎成果)。②第二條路線(貴族技術(shù)路線)：以美國Cree公司為代表的碳化硅襯底GaN基藍(lán)色LED,其主要發(fā)明人(克勞福德、拉塞爾·杜普伊斯和何倫亞克)獲2002年度美國國家技術(shù)創(chuàng)新獎(National Medal of Technology and Innovation,原名National Medal of Technology,始頒于1985年,每年頒獎1次,2007年起更為現(xiàn)名)。③第三條路線(中國特色技術(shù)路線)：以中國晶能光電(LatticePower)公司為代表的硅襯底GaN基藍(lán)色LED,此發(fā)明攻克了世界性難題,具有完整的自主知識產(chǎn)權(quán),沖破了國外的專利束縛,產(chǎn)品在市場上形成獨特優(yōu)勢?！肮枰r底高光效GaN基藍(lán)色發(fā)光二極管”項目獲2015年度中國國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎,主要完成人(共6人)：南昌大學(xué)江風(fēng)益(1)、劉軍林(2)、王立(3)和熊傳兵(5)；晶能光電(江西)有限公司孫錢(4)以及中節(jié)能晶和照明有限公司王敏(6)。

2.1420世紀(jì)的重大技術(shù)發(fā)明

20世紀(jì)四項重大技術(shù)發(fā)明(俗稱20世紀(jì)新四大發(fā)明)：①原子能技術(shù)(現(xiàn)已發(fā)展為熱核聚變技術(shù))：費米(核反應(yīng)堆之父和中子物理學(xué)之父)領(lǐng)導(dǎo)的一個實驗小組1942年12月2日在芝加哥大學(xué)建成世界上首座原子能反應(yīng)堆——以濃縮鈾為原料、石墨為減速劑(慢化劑)的可控自持核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裝置CP-1(Chicago Pile 1),標(biāo)志著原子能時代的開始。②計算機(jī)技術(shù)：由美國物理學(xué)家莫齊利(John William Mauchly,1907.08.30—1980.01.08)提出最初方案、電氣工程師艾克特(John Adam Presper ″Pres″ Eckert,Jr.,1919.04.09—1995.06.03)任總設(shè)計師的世界上首臺(多用途)電子計算機(jī)——電子數(shù)值積分和計算機(jī)ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator/Computer,1955年10月2日起停用)于1946年2月14日在賓夕法尼亞大學(xué)莫爾電氣工程學(xué)院誕生(交付使用),次日舉行揭幕典禮(2011年費城市政府宣布,2月15日為ENIAC誕辰日),標(biāo)志著計算機(jī)(電腦)時代的開始。從ENIAC到當(dāng)前最先進(jìn)的計算機(jī)都采用馮·諾伊曼[美國籍匈牙利裔數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、發(fā)明家和博學(xué)家(polymath),1937年入籍,John von Neumann,1903.12.28—1957.02.08]體系結(jié)構(gòu),故他被譽為“數(shù)字計算機(jī)之父”,1944年他因與人合作首創(chuàng)現(xiàn)代博弈論又被譽為“博弈論之父”。實際上,至少還有2臺計算機(jī)的誕辰要早于ENIAC：(i)世界上首臺電子計算機(jī)是美國籍保加利亞裔物理學(xué)家阿塔納索夫(John Vincent Atanasoff,1903.10.04—1995.06.15,法定的電子數(shù)字計算機(jī)之父)和在讀碩士研究生貝瑞(Clifford Edward Berry,1918.04.19—1963.10.30)在依阿華州立大學(xué)研制成功的不可編程的阿塔納索夫—貝瑞計算機(jī)ABC(Atanasoff-Berry Computer),1939年12月進(jìn)行過演示,1942年成功完成測試。[95～96]1973年10月19日美國明尼蘇達(dá)地區(qū)法院法官做出終審判決：1939—1942年阿塔納索夫和貝瑞在依阿華州立大學(xué)制造了首臺電子數(shù)字計算機(jī),莫齊利和艾克特關(guān)于首臺電子數(shù)字計算機(jī)的發(fā)明專利無效。(ii)英國科洛薩斯計算機(jī)(Colossus computer,意譯則是“巨人計算機(jī)”)的研制始于1943年3月,Colossus Mark 1于1944年1月10日投入運行,改良版Colossus Mark 2則于同年6月1日投入運行(主要用于邏輯運算和判斷,次年6月8日起停用,1975年才解密),當(dāng)時研制的主要目的是為了“二戰(zhàn)”期間破譯德國經(jīng)洛倫茨密碼機(jī)(Lorenz cipher)加密過的密碼。其研制負(fù)責(zé)人是英國郵政研究所(Post Office Research Station)工程師弗勞爾斯(Thomas ″Tommy″ Harold Flowers,MBE,1905.12.22—1998.10.28)博士,圖靈的圖靈機(jī)理論促成了Colossus的誕生。1936年英國計算機(jī)科學(xué)家、數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家、密碼分析學(xué)家、哲學(xué)家和數(shù)學(xué)生物學(xué)家圖靈[Alan Mathison Turing,OBE,FRS,1912.06.23—1954.06.07,被譽為“計算機(jī)科學(xué)之父”(現(xiàn)代計算機(jī)之父)和“人工智能之父”]首先提出一種抽象的計算模型——圖靈機(jī)(Turing machine),1950年首先提出“圖靈測試”的概念。1939年圖靈研制的Bombe機(jī)則主要用于破譯德國經(jīng)恩尼格瑪密碼機(jī)(Enigma machine)加密過的密碼。計算機(jī)發(fā)展史上的五代：(i)1940年代的電子管(包括真空管和離子管兩大類)計算機(jī)。1904年英國電氣工程師和物理學(xué)家約翰·弗萊明(Sir John Ambrose Fleming,FRS,1849.09.29—1945.04.18)根據(jù)愛迪生效應(yīng)首先制成檢波二極管(即電子二極管),這是最早出現(xiàn)的真空電子管。1906年美國發(fā)明家德福雷斯特(Lee de Forest,1873.08.26—1961.06.30,被譽為“無線電之父”)發(fā)明了熱電子三極管(即真空三極管),1912年他首次發(fā)現(xiàn)電子管的放大作用,為近代電子工業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。(ii)1950年代的晶體管計算機(jī)。(iii)1960年代的中小規(guī)模集成電路計算機(jī)。(iv)1970年代的LSI和VLSI電路計算機(jī)。(v)1980年開始研制的VLSI多值計算機(jī)(即人工智能化生物量子計算機(jī)),仍處于研制過程中。③半導(dǎo)體技術(shù)：以貝爾實驗室物理學(xué)家肖克利、巴丁和布拉頓(3人分享1956年諾物獎)為核心的固體物理研究小組利用半導(dǎo)體鍺材料于1947年12月16日(12月23日是演示時間)研制成功世界上首只雙點接觸式晶體三極管[巴丁和布拉頓獲得接觸式晶體管的發(fā)明專利US2524035,申請日：1948.06.17,公開日：1950.10.03,參閱名稱和公開日與此完全相同的另外2個專利：①US2524033,發(fā)明人：巴丁,申請日：1948.02.26；②US2524034,發(fā)明人：巴丁和物理化學(xué)家吉布尼(Robert B.Gibney,1947年12月11日由他提供N型鍺片),申請日：1948.02.26。肖克利獲得面結(jié)型晶體管的發(fā)明專利US2569347,申請日：1948.06.26,公開日：1951.09.25,參閱肖克利的另一個專利：US2502488,名稱：半導(dǎo)體放大器(Semiconductor amplifier),申請日：1948.09.24；公開日：1950.04.04。晶體三極管是由物理學(xué)家、化學(xué)家和電子線路專家協(xié)同攻關(guān)所取得的發(fā)明成果],晶體管的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電子管,開辟了半導(dǎo)體電子元器件的新紀(jì)元。在電力和電氣傳動行業(yè)廣泛應(yīng)用的晶閘管(thyristor或SCR=silicon controlled rectifier)亦由貝爾實驗室所發(fā)明,1950年肖克利首先發(fā)明p-n-p-n四層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體二極管(后稱肖克利二極管,等效于沒有連接控制極的晶閘管,早已停產(chǎn)),1952年美國電氣工程師艾伯斯(Jewell James Ebers,1921—1959)研究了p-n-p-n結(jié)的運行機(jī)制[97],1954年艾伯斯和莫爾(John Louis Moll,1921—2011)提出關(guān)于晶體管電流的數(shù)學(xué)模型(現(xiàn)稱艾伯斯—莫爾模型)[98],1956年莫爾小組研制成功晶閘管[99],1957年GE公司首先實現(xiàn)SCR的商業(yè)化。④激光技術(shù)。另有航天技術(shù)可與上述新四大發(fā)明相媲美,它們都是屬于具有根本性創(chuàng)新的通用技術(shù)GPT(general purpose technology)。雷達(dá)(1935年發(fā)明,“二戰(zhàn)”期間大量實用。筆者認(rèn)為以DDT替代較為恰當(dāng),1939年9月其高效殺蟲藥效被發(fā)掘出來并迅速得到廣泛應(yīng)用)、青霉素(1928年在實驗室中首先發(fā)現(xiàn)青霉菌的殺菌作用,1941年實現(xiàn)提純而得以臨床應(yīng)用,1943年起逐步加以推廣)和原子彈(1945年7月16日首次試爆成功)并稱為第二次世界大戰(zhàn)時期的三大發(fā)明。

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[作者簡介]朱安遠(yuǎn)(1964—),男,湖南省邵東縣人,工學(xué)學(xué)士(工業(yè)電氣自動化專業(yè)),北京金自天正智能控制股份有限公司(股票代碼：600560)市場營銷中心銷售總監(jiān)和高級銷售經(jīng)理,高級工程師,主要從事工業(yè)自動化(尤其是冶金自動化三電系統(tǒng))領(lǐng)域的市場營銷和應(yīng)用工作。興趣和涉獵領(lǐng)域廣泛,近期四大研究主題：①低壓變流器電流過載能力指標(biāo)：關(guān)注此事起始于1999年?；诘蛪航恢绷髯兞髌?筆者首創(chuàng)電流過載能力指標(biāo)的普適化四要素原則、等效電流系數(shù)學(xué)說和缺陷理論(可用于判斷變流器的各種原始電流數(shù)據(jù)是否自洽),首開系統(tǒng)性定量分析研究電流過載能力指標(biāo)之先河,開辟了變流器電流過載能力指標(biāo)研究這一新領(lǐng)域。②諾貝爾獎獲獎?wù)撸合埠么耸缕鹪从?981年,自稱諾迷(類似于球迷、郵迷、歌迷或影迷),酷愛研究諾貝爾獎得主且樂此不疲,倡議在國際上創(chuàng)建諾學(xué)(The Study of Nobel Prizes,類似于中國的紅學(xué))。③總體標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計估計方法：研究興趣發(fā)端于筆者1987年對概率論與數(shù)理統(tǒng)計的系統(tǒng)性歸納和總結(jié),自學(xué)過模糊數(shù)學(xué)。④陸家羲及組合數(shù)學(xué)：熱心于此事肇始于陸家羲悲喜交加年和陸老師的忌年——1983年。業(yè)余愛好：數(shù)學(xué)、百科知識、集郵、彩票研究和燈謎等。E-mail：1461877797@qq.com。