激光之父：1964年诺贝尔物理学奖得主汤斯博士

[摘 要]美国实验和理论物理学家、发明家和教育家查尔斯·汤斯是微波激射器（Maser）的主要发明者和激光器（Laser）的先驱者之一，与前苏联（现俄罗斯）物理学家和微波波谱学家巴索夫以及普罗霍罗夫分享1964年诺贝尔物理学奖，还与多人共享“激光之父”之美誉。激光技术是20世纪人类的重大技术发明之一，为了纪念汤斯教授逝世1周年并寄托笔者的深情哀思，特撰写出此长文。笔者在此全面介绍了汤斯教授的生平与家庭成员；主要学术成就与贡献；与中国的渊源以及所获雅称、奖项与荣衔，重点梳理出激光技术波澜壮阔发展历程的整个脉络和概貌，还顺便简介了并非激光器的半导体发光二极管（LED）的发展概况，简明扼要地阐述了诺贝尔自然科学奖中与激光技术密切相关的有关情况。

[关键词]查尔斯·汤斯；能级（能态）；跃迁；受激辐射；微波波谱学；核磁共振；拉比树；粒子数反转；微波激射器（Maser）；量子电子学；工作物质（增益介质）；泵浦源；光泵浦；光谐振腔；激光（Laser）；红宝石激光器；激光技术；光纤通信（光通信）；网络；全息摄影术；精密测量；激光冷却技术；玻色—爱因斯坦凝聚态（BEC）；发光二极管（LED）；发明专利；诺贝尔自然科学奖

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

2.5 粒子数反转

一般情况下，粒子数反转（population inversion，又译为集居数反转、居量反转、群数反转）是产生Maser/Laser的先决条件。两能级间受激辐射概率与两能级粒子数差有关。通常情况下，处于热平衡不同能级的粒子服从玻尔兹曼分布，即处于低能级E1的粒子数大于处于高能级E2的粒子数，这种分布是粒子数的正常分布，只能得到普通光。为了得到激光，就必须使用电、光及其他方法对工作物质进行激励，设法把处于基态的粒子大量激发到亚稳态，使得高能级E2上的粒子数大大超过低能级E1上的粒子数，在受激辐射作用下，工作物质就能对某一特定波长的光辐射产生放大作用（即光放大）。这样就可在高能级E2和低能级E1之间实现粒子数的反转分布。

科学家们通过对原子能级系统的深入研究，发现能够实现粒子数反转的能级系统几乎全部可归纳为3能级系统3ELS（three energy levels system）和4能级系统4ELS（four energy levels system）两类。在3能级系统中，E0是基态能级，E1是亚稳态能级，E2是激发态泵浦高能级，在E1和E0之间产生激光。其主要特征是激光的低能级是基态，发光过程中低能级的粒子数会一直保持有相当的数量，粒子数反转的效率较低。在4能级系统中，E0是基态能级，E1是激发态能级，E2是亚稳态能级，E3是激发态泵浦高能级，在E2和E1之间产生激光。因激光的低能级是一个激发态，常温下基本上是空的，其激励能量要比3能级系统小得多，更容易获得激光。

前苏联物理学家法布里坎特（Valentin Aleksandrovich Fabrikant，1907.10.09—1991.03.03）是粒子数反转这一重要物理思想的首倡者和践行者。他在讨论气体放电的发光机理时，分析了由负吸收产生光放大的可能性，以及由此所引起的光强度增加和方向性的问题。他根据拉登堡发现的吸收系数、爱因斯坦A/B系数和粒子数分布的关系指出：要使辐射通过介质不但不衰减而且还要放大的话，就必须实现粒子数反转[1]，为此他用氦（He）的388.9 nm谱线激励铯（Cs）原子，观察到原子能级的粒子数反转现象。1940年他在博士论文中首先提出了产生粒子数反转的实现方法，这一独到见解是从爱因斯坦受激辐射理论向构思激光器技术原理迈出的极为重要的一步，因为它指明了产生激光的最重要条件。

1947年4月拉姆（又译为兰姆，Willis Eugene Lamb，Jr.，1913.07.12—2008.05.15，1955PH21）和美国物理学家雷瑟福（Robert Curtis Retherford，1912—1981）通过波谱学实验方法发现氢原子的亚稳态及其光谱线不是单一的黑线，而是由一些不连续的非常接近的谱线系列组成，后来人们把氢原子光谱的这种双线结构称为拉姆位移（Lamb shift）。在他俩发表关于氢原子光谱精细结构的著名论文的一个附注中指出通过粒子数反转可以期望实现感应辐射（induced emission），即受激辐射。[2～3]他俩的兴趣只是在氢原子的精细结构方面，并没有把负吸收和自持振荡联系起来，仅是在论文中添加一个附注而已，故将此说成是受激辐射的第一个实证是不妥当的。1950年拉姆明确提出气体放电中的电子碰撞可以改变粒子的集居数。

粒子数反转这一思想至关重要，然而当时在人们的心目中，认为这是不可思议的。因为在热平衡条件下，低能级粒子数总是比高能级粒子数多，实现粒子数反转就必须破坏热平衡，故粒子数反转思想当时并未引起人们的重视。

1948年珀塞尔有意识地研究了磁场中各子能级的集居数。1950年珀塞尔和美国物理学家庞德（Robert Vivian Pound，1919.05.16加拿大安大略省—2010.04.12）利用微波波谱学的方法研究氟化锂（LiF）晶体中原子核磁矩构成的顺磁体系，为了更进一步地弄清楚磁共振信号的来源和增强微波信号，他俩特意采用突然反向静磁场法。当外磁场极性改变比核自旋—晶格弛豫时间短得多时，出现了锂原子（Li7）核自旋体系集居数的反转，发生了负吸收现象，意外地观察到频率为50 kHz的受激辐射。这是受激辐射首次直接被实验所证实，也直接给出了受激辐射发生的前提是要实现粒子数反转。为了解释这种现象，珀塞尔和庞德首先提出“负温度”（negative temperature）概念，并把粒子数反转称为“负温度”状态。[4]负温度不是表示比绝对零度还低的温度，而是描述从零到正无穷的开氏温标所不能描述的状态。

光泵浦（optical pumping，“泵浦”系英文pump的音译，又意译为“抽运”）是指用光将粒子中的电子从低能级激发到高能级（即受激吸收）而产生粒子数反转。光泵浦的磁共振是由核磁共振演化而来的。1947年发现拉姆位移以后，1949年美国磁学家比特（Francis Bitter，1902—1967）建议可把射频波谱技术扩展到原子激发态方面的研究。此前磁共振实验一般是在凝聚态中粒子处于热平衡状态下进行的，激发态的磁共振则从未有人做过。光磁双共振是将光共振和磁共振结合起来，使粒子光学频率的共振与射频/微波（即赫兹波）频率的磁共振同时发生的一种物理现象，1949—1950年布罗塞尔（Jean Brossel，1918.08.15—2003.02.04）[5]和卡斯特勒合作提出光磁双共振的实验设想[6～7]，1950年布罗塞尔在比特的指导下首次取得光磁共振实验的成功，不过还不能探测原子的定向[8]，同年卡斯特勒又提出：采用圆偏振光激发原子，使原子的角动量发生变化，激发原子到高能级，即改变原子在基态某一子能级的集居数，从而首先提出光泵浦理论和实验方案。1952年布罗塞尔和卡斯特勒等初步取得光泵浦实验的成功[9]，其后即观察到多光子共振现象，1955年他们终于取得光泵浦钠原子磁共振实验的成功。[10]因光泵浦法是利用光辐射来改变光子的能级集居数，是最早实现粒子数反转的有效方法，是Maser向Laser演进的重要推手，在历史上是一项重大技术突破，对激光的发明和发展发挥过重要作用（1960年梅曼的首台激光器正是利用光泵浦技术来实现粒子数反转的），故卡斯特勒常被赞誉为“激光之祖（激光之父）”。[11～12]

1959年贝尔实验室（自牛津大学克拉伦登实验室来此休假8个月）英国物理学家桑德尔斯（John H.Sanders）和美国物理学家贾范（Ali Mortimer Javan，1926.12.26伊朗德黑兰—，1962年和1963年各获1次诺物奖提名）率先分别提出在气体系统中通过选择性电子碰撞激发来实现粒子数反转[13～14]，这一思想后来被激光开拓者所采用。

2.6 微波激射器（Maser）

微波激射器的全称是受激辐射微波放大器Maser（microwave amplification by stimulated emission of radiation，音译为脉塞或脉泽，此英文缩略词1951年由汤斯首创），脉塞Maser（属微波，不可见光）是激光Laser（light amplification by stimulated emission of radiation，直译为受激辐射光放大器，音译为莱塞或莱泽，其波长范围涵盖可见光和不可见光）的先驱。Laser是将Maser原理从微波频段推广到光波频段的自然产物，两者都是基于受激辐射会带来放大效应的原理。Maser具有十分稳定的振荡频率，适宜于制作波谱仪和原子钟。

微波波谱学和分子光谱学是“二战”时期为研制微波振荡器（系雷达核心部件）以提高雷达性能应运而生的，Maser的发明则是基于对微波波谱学和分子光谱学的研究而产生的。分子光谱包括转动光谱、振动光谱和分子电子光谱三大类。

在原子系统中，通过受激辐射有可能获得微波振荡和放大（即微波激射）。1951年春汤斯到华盛顿参加一个由海军组织的亚毫米波学术讨论会，与肖洛同住富兰克林公园宾馆的一间客房，4月26日因起床早，餐厅未开门而又不想打扰同伴休息，于是独自外出坐在宾馆附近富兰克林公园的长椅上静心遐思，突然一个独辟蹊径的念头在其头脑中闪过，豁然开朗就构思出实现微波受激放大的可能性：摈弃电子学的传统观念，设想用分子体系来实现微波放大，首先分离出分子束系统中的高能级和低能级，然后把高能级分子馈入谐振腔保持自持振荡并放大，使处于微波激发态的氨分子数大于处在低能级的氨分子数，这样就会发生受激辐射。汤斯将微波的相干性和放大结合起来，促成了Maser的问世。量子放大器（又称激射器）是指利用受激辐射原理使某些工作物质激励而具有量子放大或发射电磁波性能的器件，在微波频段称为微波量子放大器（Maser），在光波频段则称为光波量子放大器（Laser）。光放大器现一般分为光纤放大器和半导体光放大器两类。

1952年在渥太华举行的电子管研究大会（Conference on Electron Tube Research，会期：06.16～17）由加拿大籍德国裔物理化学家和光谱学家赫兹伯格（1971CH，被誉为Father of molecular spectroscopy，即分子光谱学之父）主持，马里兰大学微波波谱实验室美国物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber，1919.05.17—2000.09.30，1962年和1963年各获1次诺物奖提名）在大会上做了《在非热平衡态下微波辐射的放大》的报告，首先公开提出Maser原理（其讲演全文1年后发表[15]）：利用受激辐射诱发粒子放大微波必须破坏热平衡，其辐射脉冲是相干的。尽管韦伯的方法后来并未全部实现，但它对汤斯产生过积极影响。

在美国军方合同的资助下，1951年年底汤斯小组[成员还有汤斯的博士生詹姆斯·戈登（James Power Gordon，1928.03.20—2013.06.21，1963年获1次诺物奖提名）和博士后齐格尔（Herbert Jack Zeiger，1925.03.16—2011.01.14，其博导是拉比，博士论文涉及分子束领域），齐格尔离开哥伦比亚大学后不久由中国学者王天眷接替]开始工作，他们选用氨分子束作为工作物质，利用分子受激辐射原理产生了噪声极低的单色相干微波辐射，于1954年1月30日研制成功世界上首台新型微波振荡器——氨分子微波激射器Maser，其共振频率为23.87 GHz图4 汤斯（左）、戈登和齐格尔（未在场）等制成的第二台Maser（波长1.25 cm，下同），功率极低（～10 nW），首次观察到氨分子反演谱线的精细结构，这是实验室内最早观察到的微波分子辐射谱。[16～17]同年7月汤斯小组制成具有2个微波放大器的第二台Maser（见图4。据考证，照片中詹姆斯·戈登身后的人就是王天眷先生）。氨分子Maser的长期稳定度不高，并未走向实用化，但它作为首个量子电子学器件具有重要的历史意义和价值，Maser的成功实验成为Laser的理论先导。1956年汤斯正式提出Maser能被无线电波甚至被光波所泵浦，即将Maser原理拓展到光波，这是激光原理首次被直接描述。

前苏联物理学家巴索夫和普罗霍罗夫小组一直致力于分子振荡器及其光谱的研究，探索利用微波波谱学方法建立频率和时间的标准，这就需要人为地改变能级的集居数以增加波谱仪的灵敏度。巴索夫和普罗霍罗夫在1952年5月举行的全苏无线电波谱学大会（All-Union Conference on Radio-Spectroscopy）上首先提出得到Maser受激粒子的另一种可能途径：在具有3ELS和4ELS的粒子系统中，利用高频电磁波实现粒子数反转，在高能级和居间能级或居间能级和低能级之间的跃迁频率有可能得到量子放大和自持振荡。1953年1月在全苏核磁矩会议上他俩提交的论文《在微波波谱学中利用分子束》更详细地阐明了这一思想。巴索夫和普罗霍罗夫对分子束在微波波谱学中的利用进行过深入的理论分析，1954年10月他俩联名发表文章（此文可视为是量子电子学的开山之作）指出：[18]通过一个非均匀磁场，可将分子束中处于不同能级的各种类型的分子彼此分开，而处于特定能级的分子可被引导到一个微波谐振腔内，在腔内产生吸收或放大，定量地分析了Maser运转的具体条件。巴索夫和普罗霍罗夫独立研制成功的氨分子束低噪声量子振荡器和放大器（即Maser）比1954年1月汤斯小组晚几个月运转。汤斯小组以及巴索夫和普罗霍罗夫小组在几乎相同的时间内独立地对Maser作出开创性工作，两组人的思路基本相同，前者首先在实验上获得成功，而后者则首先奠定了其理论基础（正式发表论文时间领先）。1955年巴索夫和普罗霍罗夫利用量子力学对氟化铯（CsF）分子振荡器和放大器进行理论分析[19]，不久普罗霍罗夫还把氨分子Maser的工作波长减小到亚毫米级，把频率提高了1～2个数量级。文献[20]和文献[21]P186关于“1952年巴索夫及其博士生导师普罗霍罗夫研制成功世界上第一台微波激射器”的描述有误，1952年仅是他俩提出Maser设计思路和方案的时间，为此特予以订正。1955年巴索夫和普罗霍罗夫合作提出多能级光泵浦理论可实现粒子数反转，即提出初步的激光器原理和设计方案。[22～23]同年普罗霍罗夫把注意力转向顺磁共振Maser，在几年内研究出一系列顺磁晶体的顺磁共振和弛豫特性，1958年制成顺磁Maser。

布洛姆伯根对Maser/Laser的研究也作出过重要贡献，1956年独立地提出3能级泵浦法的新构思（这是3能级和4能级激光理论的基础），详细地计算了获得“负温度”的条件，并建议利用顺磁材料（如Ni-Zn氟硅酸盐和Ga-La乙基硫酸钆盐）中的塞曼能级可做成可调谐的3ELS固体Maser。[24～25]1957年年贝尔实验室物理学家斯柯维尔（Henry Evelyn Derrick Scovil，1923.07.25加拿大不列颠哥伦比亚省维多利亚市—2010.05.11美国华盛顿州Townsend港）小组根据这个原理，利用顺磁掺钆离子（Gd3+）的氰化钾晶体研制成功3ELS可调谐顺磁固体Maser[26]，同年贾范也独立地提出3ELS Maser方案。[27]1957年末哈佛大学Gordon McKay实验室布洛姆伯根小组和密歇根大学工程研究院马可霍夫（George Makhov）小组发明了红宝石固体Maser（9060 MHz）[28～29]，它们弥补了氨分子Maser的不足（如感应频率窄、可调谐范围小和不能连续运行等）。至此，使厘米波和分米波的高灵敏度接收成为可能，并很快被用作于射电天体物理学、雷达和宇宙通信灵敏的低噪声前置放大器。巴索夫、普罗霍罗夫和布洛姆伯根的多能级创新性思维为微波激射器的发展和激光器的诞生指明了方向。

应用最广的Maser是1960年拉姆齐小组发明的氢原子Maser（即氢原子钟，简称氢钟），其输出频率是1420405751.767±0.002 Hz（相应的波长是21.10611405413 cm），对应于氢原子基态2个超精细能级之间的跃迁频率。[30]氢原子Maser输出频率的准确度（其不确定度高达10-14数量级）和稳定度都极高，可用作于频率和时间基准。

2.7 激光的诞生

1954年普林斯顿大学物理学家迪克（Robert Henry Dicke，1916.05.06—1997.03.04）首先提出“超发光”（superradiance，又译为超辐射）和“光弹”（optical bomb）的设想，其中包含着粒子数反转的思想。所谓超发光，是指短促的激励脉冲过后，由于自发辐射会产生强烈的光束。1956年迪克在其专利申请书“分子放大和发生的系统和方法”[31]中就已提出运用法布里—珀罗干涉仪FPI（Fabry-Pérot Interferometer，简称F-P干涉仪，1897年[32]，又称法布里—珀罗标准具，法国物理学家法布里是美国富兰克林学会颁发的1921年富兰克林奖章得主）作为光放大谐振腔的设想，且建立不求助于反射（2年后肖洛和汤斯提出的谐振腔方案采用了2面平行反射镜）而在近红外或可见光频段产生相干受激辐射的新颖独创思想。

1957年10月，时兼任贝尔实验室顾问的汤斯访问了贝尔实验室，其妹夫肖洛1951—1960年在那里工作，俩人兴趣相投、交谈甚欢，相约密切合作、各取所长、共同攻关，其合作成果是1958年12月15日联名发表了著名的具有独到见解的论文《红外区和光激射器》[33]，首次提出将微波激射原理扩展到红外和可见光区的可能性，这是激光发展史上最具重要意义的经典文献，实质上提出了完备的激光原理（即激光器的物理模型），奠定了现代激光的基础，催生了激光器的诞生。该文不仅给出了受激辐射光产生的必要条件，而且提出了以钾蒸气为工作物质、钾灯为泵浦源的红外激射器详细设计方案（此方案实际上无法实现正常工作），还论证了以法布里—珀罗干涉仪作为侧壁完全开放式谐振腔选模以减少过剩波型和自发辐射的机制。

1958年普罗霍罗夫也指出：法布里—珀罗标准具可用作从亚毫米波直至可见光波段的开放式谐振腔。[34]巴索夫是半导体激光器的重要开拓者之一。世界科技界高度评价汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫的原始创新思想，认为这是1960年激光器产生的物理基础。1959年9月14～16日汤斯主持了纽约国际量子电子学和共振现象会议（International Conference on Quantum Electronics and Resonance Phenomena，即首届国际量子电子学会议），巴索夫和普罗霍罗夫受邀参会，大会上科学家们提交的激光器设计方案就有几十种，翌年汤斯主编的本次研讨会论文集《量子电子学》（Quantum Electronics：A Symposium）由哥伦比亚大学出版社出版。至此，以量子电子学的研究为基础，把微波量子放大器扩展到光波波段的理论基础和技术已基本完备，为激光的诞生铺平了道路。科学家们因此而纷纷加入到光激射器的研制热潮中。

美国物理学家和工程师梅曼[Theodore Harold ″Ted″ Maiman，1927.07.11—2007.05.05，1962年获1次诺物奖提名，1983年获沃尔夫物理学奖，1987年获日本国际奖，被誉为“光电产业之父”（Father of the electro-optics industry）]师从博导拉姆教授进行原子光谱的研究，1955年获斯坦福大学实验物理学PhD，其博士学位论文是《利用微波和光的双共振研究氦原子激发态的精细结构》（Microwave-Optical Investigation of the Triplet-3P Fine Structure in Helium）。1955—1961年就职于美国加州休斯飞机公司休斯研究实验室（Hughes Research Labs）量子电子学部（1961年梅曼及7位同事离开休斯实验室加入新成立的Quantatron公司，次年创办激光器制造公司Korad Solid State并自任总裁，1968年Korad被Union Carbide收购），最早进行了毫米波振荡器的研究，还从事过红宝石Maser的研究。1960年梅曼首先撰文指出肖洛1959年9月所断言红宝石不适宜于产生激光的错误（关于红宝石的量子效率，肖洛得到～1%的结论是错误的，实际上应在～75%）[35]，接着他及其助理德汉宁（Irnee DHaenens，1934.02.03—2007.12.24）和阿萨瓦（Charles Asawa）大体按照肖洛和汤斯1958年的设计构思，仅使用5万美元“独立研究和发展经费”，于同年5月16日获得了人类历史上的第一束激光（694.3 nm），开启了激光时代。激光被称为“人造神光”、“最亮的光”、“最准的尺”、“最快的刀”和“奇异之光”。同年7月7日[次日《纽约时报》头版以《被科学家放大的光》（Light amplification claimed by scientist）为题予以报道]休斯公司在纽约曼哈顿Delmonico宾馆举行的一个新闻发布会上宣布：梅曼研制成功（淡）红宝石激光器并公开演示了这一设备，还给与会人员分发了介绍研究成果的单行本，这是得到公认的世界上第一台激光器（属非连续运行脉冲输出激光器），其工作物质是掺铬红宝石晶体（Al2O3∶Cr3+-Cr2O3），3ELS光泵浦采用闪光氙灯（由GE公司生产的FT506螺旋管石英灯，原本用于航空摄影）椭圆漫射照明。[36～38]梅曼将发明激光的根本性突破写成短文于6月22日投稿于《物理评论快报》杂志，24日就被该刊主编、美国和荷兰理论物理学家（双重国籍）古兹密特（Samuel Abraham Goudsmit，1902.07.11—1978.12.04，1925年与乌伦贝克合作发现电子自旋[39]）所拒绝，因为他误以为梅曼的论文仍是关于Maser发展方面的，没有发表价值，且当时该刊已有太多Maser技术方面的论文等待审稿，故梅曼只好精简后改投更有影响的英国《自然》杂志，这次立即就被接受并顺利发表。当时一名参加新闻发布会的记者未经作者许可就私自将单行本寄给《英国通信与电子》杂志，也被顺利发表。[40～41]在得知梅曼激光实验的成功消息之后，贝尔实验室美国物理学家柯林斯（Robert John Collins，1924—2014.07.19）小组于8月1日重复了红宝石激光的实验，证实梅曼在红宝石中得到的光具有相干性，从而确认受激辐射产生了激光。[42]Maser和Laser的发明不仅开创了本领域的基础性研究，而且大大拓宽了宏观和微观物理学的视界。

在应用光学家王大珩[1915.02.26—2011.07.21，1955年当选为中国科学院学部委员（院士），1994年当选为中国工程院院士，“两弹一星功勋奖章”获得者，被誉为“中国光学之父”]院士的主持和领导下，1961年9月中科院长春光学精密机械研究所物理学家王之江（1930.11.21—，1991年当选为中科院院士，被誉为“中国激光之父”）和邓锡铭（1930.10.29—1997.12.20，1993年当选为中科院院士）等人创制出中国第一台激光器[43～44]，其工作物质是掺钕红宝石晶体，光泵浦采用直管状脉冲氙灯球形成像照明（其效率高于螺旋管状脉冲氙灯漫射照明），光谐振腔采用独特的半外腔式结构，与梅曼激光器的结构迥然不同。1961年7月日本电气公司（NEC）久保田观治等人研制出红宝石激光器[45]，中国的首台激光器比前苏联早2个月，从而使得中国成为世界上第3个拥有激光器的国家。[46～47]

2.8 激光技术主要发展历程简述

红宝石激光器发明后不到半年，1960年11～12月IBM托马斯·沃森研究中心（IBM Thomas John Watson Research Center）物理学家索洛金（Peter P.Sorokin，1931.07.10—）和史蒂文森（Mirek J.Stevenson）发明了世界上第二台和第三台4ELS闪光氙灯FT503泵浦的激光器，即掺铀氟化钙（CaF2∶U3+）激光器（2.500 μm）和掺钐氟化钙（CaF2∶Sm2+）激光器（0.7085 μm）[48～49]，晶体必须冷却到液氦温度（沸点-268.93 ℃，0 K=-273.15 ℃）才能运转，这2种固体激光器并未被实用。同年12月贝尔实验室肖洛小组研制成功深红宝石激光器（700.9 nm）[50～51]，当月12日16∶20分贝尔实验室贾范、班尼特（William Ralph Bennett，Jr.，1930.01.30—2008.06.29）和赫里奥特（Donald Richard Herriott，1928.02.04—2007.11.08）采用低气压放电方法实现粒子数反转，共同发明了采用4K液氦冷却的4ELS电泵浦（非光泵浦）氦氖激光器（1.1523 μm），这是世界上首台可连续输出激光束的激光器。[52]截至1960年年底，世界上至少已有4种不同类型的5台激光器运行成功。1962年贝尔实验室艾伦·怀特（Alan D.White）和里格登（Jameson Dane Rigden）开发出首台射频激励的氦氖激光器（0.6328 μm）[53]，这是当今实验室里最常用的红光激射源和标准激光器（氦氖激光器的其他2种波长1.1523 μm和3.3913 μm并不常用）。1964年拉姆提出了气体激光的半经典自洽理论，成功地解释了气体激光功率曲线中心出现的凹陷现象，后称拉姆凹陷（Lamb dip），为气体激光的饱和吸收稳频技术奠定了理论基础。1972年英国国家物理实验室率先研制出633 nm碘稳频氦氖激光光频标准。1985年美国Melles Griot公司首次推出全内腔绿光氦氖激光器（543 nm）。

1961年贝尔实验室物理学家亚瑟·福克斯（Arthur Gardner Fox，1912.11.22—1992.11.24）以及美籍华裔物理学家和光纤通信专家厉鼎毅（Tingye Li，1931.07.07南京—2012.12.27犹他州Snowbird，被誉为“DWDM之父”，1996年中国工程院首批7名外籍院士之一）合作讨论了激光谐振腔模型的不同横向模式，考虑了正方形和圆形平面镜法布里—珀罗谐振腔中电磁场的衍射效应，进一步地完善和丰富了光谐振腔理论。[54]同年贝尔实验室加里·博伊德（Gary D.Boyd）和詹姆斯·戈登首先阐明了共焦腔（confocal optical resonator）的高斯模式理论[55]，次年加里·博伊德和科格尔尼克（Herwig Kogelnik，1932.06.02奥地利Graz—）予以改进和完善而提出扩展高斯模式理论。[56]

1961年9月贝尔实验室约翰森（Leo F.Johnson）和纳桑（Kurt Nassau，1927.08.25—2010.12.18）小组利用掺钕钨酸钙（CaWO4∶Nd3+）发明了首台可连续运行的4ELS光泵浦钕玻璃激光器（1.064 μm，另一种波长为1.054 μm），在室温下获得脉冲激光。[57～58]同年10月美国光学公司斯尼特兹（Elias Snitzer，1925.02.27—2012.05.24）博士利用掺杂2%氧化钕的钡钙玻璃也研制出4ELS钕玻璃激光器。[59]同年12月贝尔实验室唐纳德·纳尔逊（Donald F.Nelson）和博伊尔（2009PH32）合作发明了首台可连续运行的红宝石激光器。[60]钕玻璃激光器的研制成功开创了具有广阔用途的稀土玻璃激光器研究之先河。1961年斯尼特兹首先建议把激光器和光纤结合起来[61]，次年贝尔实验室科学家克兰曼（David Allmond Kleinman）等人首次实现在激光腔内采用F-P反射镜进行模式选择。[62]1964年凯斯特（Charles J.Koester）和斯尼特兹报道在没有终端反射涂层的情况下，利用盘绕的线性闪光灯泵浦掺钕玻璃光纤放大器，在长1 m的光纤中将激光脉冲放大了5万倍。[63]光纤放大器是光通信的关键技术，本来玻璃激光器和光纤是两码事，只不过是殊途同归而已。光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活而制成光纤激光器。玻璃激光器是现代光纤激光器的先驱，但限于当时的技术条件，其研究进展相对缓慢。1987年英国南安普敦大学物理学家佩恩（Sir David Neil Payne，CBE，FRS，FREng，1944.08.13—）小组发明了掺铒光纤放大器EDFA（erbium-doped fiber amplifier，1.536 μm，其信号增益为26 dB）[64]，它的应用可免除光—电—光的中继转换而实现光的实时放大，能提高传输质量并大大减少长距离光纤传输的成本，为现代光通信商业化奠定了坚实基础，现已被广泛应用于光通信和高能激光中。1996年日本科学家开发出单模掺钕光纤放大器NDFA（neodymium-doped fiber amplifier），在1.06 μm处获得60 nm的增益带宽，其信号增益大于20 dB，噪声为3 dB[65]，NDFA具有泵浦阈值低、噪声系数小和掺杂浓度高等优点。

光纤激光器还是激光武器研究的一种候选方案，也是用作受控热核聚变的主要候选光源。激光受控热核聚变的两大实验研究途径是：①磁约束核聚变MCF（magnetic confinement fusion）；②惯性约束核聚变ICF（inertial confinement fusion），另有包括磁化目标核聚变在内的非常规核聚变（unconventional fusion）途径。随着激光技术的兴起，ICF这一新概念被提出。早在1961年，巴索夫和克罗辛（Oleg Nikolaevich Krokhin，1932.03.14—）就开始考虑用强激光实现受控核聚变的可能性并着手研究激光核聚变所必需的物理前提、激光技术和制靶技术，1963年他们在巴黎第3届国际量子电子学会议IQEC（International Quantum Electronics Conference，会期：2月11～15日）上首先提出激光核聚变思想：采用高功率脉冲激光辐射聚变燃料靶，有可能产生高温高密度等离子体，达到点燃热核反应的条件，从而实现人工核聚变反应。[66]1964年普林斯顿大学等离子体物理实验室美国计算物理学家约翰·道森（John Myrick Dawson，1930.09.30—2001.11.17）独立提出类似思想[67]，同年10月4日中国核物理学家王淦昌（1907.05.28—1998.12.10）完成《利用大能量大功率的光激射器产生中子的建议》的开创性论文（1987年才正式发表）[68]，亦独立地提出“激光与含氘物质发生作用，使之产生中子”的激光核聚变思想。1968年巴索夫小组利用大功率激光轰击氘化锂（LiD）平面靶首次获得少量热核中子输出。[69]直到1972年5月“氢弹之父”爱德华·特勒（Edward Teller，1908.01.15—2003.09.09）公开向心聚爆理论，激光核聚变才迅速成为各大国的重点军事研究项目。在以放大啁啾脉冲为基础的超大功率激光器出现后，科学家们提出了激光核聚变的新概念—快速点火。世界上规模最大、能量最高的激光聚变装置——国家点火装置NIF（National Ignition Facility）于2009年5月29日在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室LLNL（Lawrence Livermore National Laboratory，1952年9月创建，由UCB负责管理，爱德华·特勒是其倡导者）举行落成典礼。

全球最大的光纤激光器和光纤放大器制造商IPG Photonics由物理学家加蓬赛夫（Valentin Pavlovich Gapontsev，1939.02.23莫斯科—，被誉为“光纤激光器工业之父”）博士于1990年创办并自任CEO，该跨国公司的总部现设在美国马萨诸塞州伍斯特县（Worcester county）牛津镇（Oxford town）。IPG Photonics公司2002年报道：研制成功输出功率为2 kW（其最大衍射极限输出功率为100 W）的多模光纤激光器，可用于焊接铝和钢构件。该公司2009年报道：研制成功输出功率为10 kW的单模光纤激光器，并已建立50 kW多模激光用于激光武器试验。

1961年密歇根大学物理学家弗兰肯（Peter Alden Franken，1928.11.10—1999.03.11，被誉为“非线性光学之父”）小组将红宝石脉冲激光（694.3 nm）通过石英晶体，红光变成了绿光，观察到347.2 nm的倍频光，这是最早发现的二阶非线性光学效应（即二次谐波）和可调谐现象[70]，稍后又发现和频现象，激光器的发明对物理学理论的最大贡献也许就是导致非线性光学的诞生。光的倍频、变频和混频都是典型的非线性光学现象。同年贝尔实验室德国实验物理学家凯瑟（Wolfgang Kaiser，1925.07.17—）等人利用红宝石激光器照射掺铕离子（Eu2+）的氟化钙（CaF2）晶体时首次发现了双光子激射现象[71]，普里特查德小组（1974年[72]）和亨施小组（1975年[73]）各自独立地创立了消多普勒双光子光谱学。1962年福特汽车公司特休恩（Robert William Terhune，1926—2014.11.20）小组在方解石上观察到红宝石脉冲激光辐射的三次谐波[74]，1965年他及其同事保罗·麦克尔（Paul D.Maker）首次发现相干反斯托克斯拉曼光谱CARS（coherent anti-Stokes Raman spectroscopy）。[75]拉曼（1930PH）激光器是基于受激拉曼散射原理，通过它能够得到固体激光器不能直接发射的波长。内腔式全光纤拉曼激光器是由一种单向光纤环（即环形波导腔）构成，腔内的信号是被泵浦光直接放大而无须实现粒子数反转（QCL和OPO也无须实现粒子数反转）。1962年休斯研究实验室伍德伯里（Eric J.Woodbury）小组在研究以硝基苯作Q开关红宝石激光器的克尔盒（Kerr cell）时，偶然发现了受激拉曼散射现象，由此而发明了拉曼激光器（Raman laser）。[76～77]腔中无克尔盒时，确实只有694.3 nm谱线；一旦加上硝基苯克尔盒，则另有767.0 nm谱线出现，后来证实它是硝基苯所特有的，对应于硝基苯振动跃迁的一级斯托克斯受激拉曼散射谱线。1963年汤斯小组对受激拉曼散射的物理机制和主要参量进行了深入研究。[78]电光效应分为2种：①一级电光效应：指折射率的变化与外加场强成正比（如压电晶体等），1893年由德国晶体物理学家普克尔斯（Friedrich Carl Alwin Pockels，1865—1913）首先预期，后在石英等晶体中得到证实，故又称普克尔斯效应（Pockels effect）。②二级电光效应（又称二阶非线性电光效应）：指折射率的变化与外加场强的平方成正比（如气体、液体和玻璃态固体等），1875年由苏格兰物理学家克尔（John Kerr，FRS，1824—1907）首先在玻璃上发现，故又称克尔电光效应或直流克尔效应，另有交流克尔效应（克尔光学效应），两者可统称为克尔效应（Kerr effect）。斯托克斯（Sir George Gabriel Stokes，1st Baronet，FRS，1819—1903）是英国数学家和物理学家。2004年加州大学洛杉矶分校（UCLA）电子工程师率先报道研制成功硅基拉曼激光器（硅中一阶拉曼效应的波长峰值发生在1675 nm处，通过级联的拉曼效应可将输出波长拓展到中红外波段），他们采用由光纤制成的8 m环形激光腔，以硅作为增益介质实现了硅基拉曼激光输出。[79]

1961年激光器就开始面市销售，同年11月关于激光治疗的2篇论文同时发表在《科学》杂志[80～81]，当月22日纽约哥伦比亚长老会医学中心（Columbia-Presbyterian Medical Center）哈克尼斯眼科研究所（Edward Stephen Harkness Eye Institute）将红宝石激光器产生的激光应用于治疗视网膜脱落并获得成功[82]，这是激光首次被应用于临床。1968年该中心埃斯佩兰斯（Francis A.LEsperance，Jr.）医学博士首次采用氩离子激光器完成糖尿病导致视网膜病变的异常血管修补手术。[83]激光技术还被应用于杀灭视网膜肿瘤、角膜移植和治疗青光眼等。匈牙利医生梅斯特（Endre Mester，1903—1984，被誉为“LLLT之父”）是低功率激光生物学效应的发现者和激光医学的先驱，1967年他开始进行激光对皮肤癌影响的实验研究，进而发明低能量激光疗法LLLT（low level laser therapy）。

激光发明后科学家们就立即开始将半导体材料作为其工作物质的研究，1961年法国国家电信研究中心（CNET）伯纳德（Maurice G.A.Bernard）和杜拉福格（Georges/Guillaume Duraffourg）首先提出在半导体中实现受激辐射的必要条件：对应于非平衡电子，空穴浓度的准费米能级差必须大于受激辐射能量，并建议采用III—V族化合物半导体。[84]1962年是半导体激光器突飞猛进的一年，当年GE研究实验室、IBM托马斯·沃森研究中心[85]和MIT林肯实验室[86]3个研究小组几乎同时报道研制成功在77 K液氮（沸点-195.79 ℃）低温条件下输出微秒（1 μs=10-6 s）级脉冲的GaAs半导体激光器，这是在光通信、光存储和光泵浦等领域迈出的具有里程碑意义的重要一步：GE研究实验室工程师和应用物理学家罗伯特·霍耳（Robert Noel ″Bob″ Hall，1919.12.25—）小组采用直接带隙（理论上能高效产生受激辐射）GaAs半导体材料，利用扩散技术在GaAs内形成p-n同质结，于9月16日发明了同质结注入式GaAs半导体激光器——激光二极管（LD，0.84 μm）[87]，这是现代光电子产业的基础。第一代LD存在很多缺陷，其实用意义并不大，但其基本理论和实践探索对半导体激光器的发展仍具积极意义。1967年贝尔实验室加拿大物理学家戴门特（John C.Dyment，1938.06.07—）利用Ⅱα型天然金刚石制备出用于GaAs LD散热用的金刚石热沉，并用该热沉首次实现了条形双异质结LD的室温连续运行。[88]据笔者所知，文献[89]中至少存在以下3个方面的错误：①将美国物理学会（APS）主办的《物理评论快报》PRL（Physical Review Letters，1958年7月1日创刊）和美国物理联合会AIP（American Institute of Physics，1931年成立，总部设在马里兰州College Park，出版中心现设在纽约州Melville，2010年6月17日在北京成立首个国际办公室）主办的《应用物理学快报》APL（Applied Physics Letters，1962年9月1日创刊）这2种不同的刊物混为一谈；②表1中将第4篇文章的出版日期误为1962年12月15日（实为同年12月1日）；③表1中误将发光二极管（LED）当成半导体激光器看待。

1957年日本东北大学（仙台市）物理学家和教育家西泽润一（Jun-ichi Nishizawa，1926.09.12—）首先提出p-n结注入式半导体激光器理论并申请日本专利[90]，专利名“半导体Maser”相当于“半导体Laser”，故他是半导体激光器的先驱。1958年7月7日巴索夫小组获得前苏联量子力学半导体振荡器和电磁振荡放大器的发明证书（No.10453，前苏联实行发明者证书与专利并存的双轨制）。[91]在1959年9月纽约国际量子电子学和共振现象会议上，巴索夫从理论上提出：采用脉冲电场中电流载流子的雪崩增殖法在半导体中可实现粒子数反转而获得相干辐射。1960年巴索夫小组对半导体激射器从机理上进行了透彻的理论研究，提出激励半导体激光器的3种方法：[92]①光泵浦法（用红宝石激光激励半导体）；②快电子束泵浦法；③应用高度掺杂简并（doped degenerate）半导体中的p-n结，采用电流直接泵浦法以实现粒子数反转，此方法后来被证明是成功有效的。1962年巴索夫小组制成注入式半导体激光器，次年制成强电子束激励的半导体激光器。早期半导体激光器都是同质结型（单结型），只能在低温下以脉冲方式运行。1963年克勒默在IEEE年会上首先提出（单）异质结半导体激光器的原理[93]，前苏联国家科学院列宁格勒（现圣彼得堡）约飞物理技术研究所（1918年成立）阿尔费罗夫和卡扎林诺夫（Rudolf Feodor Kazarinov，1933—）独立地在其专利申请书中描述了同样的原理。[94]其实质是把一个窄带隙半导体材料夹在2个宽带隙半导体材料之间，从窄带隙半导体中产生高效率辐射，这个设想很大程度上取决于异质结材料的生长工艺。IBM托马斯·沃森研究中心德国物理学家鲁普雷希特（Hans Stefan Rupprecht，1930.03.19—2010.12.09）和美国发明家伍德尔（Jerry M.Woodall，1938—）小组致力于GaAlAs半导体材料的研究，他们采用液相外延LPE（liquid phase epitaxy，epitaxy又译为“磊晶”。1963年由新泽西州普林斯顿RCA实验室赫伯特·纳尔逊发明[95]）技术在GaAs衬底上生长出镓铝砷（GaAlAs），1967年报道了首个实用的晶格匹配的异质结[96]，这是半导体激光器发展史上迈出的重要一步。1969年贝尔实验室美国物理化学家潘尼希（Morton/Mort B.Panish，1929.04.08—）和日本物理学家林严雄（Izuo Hayashi，1922.05.01—2005.09.26）小组研制成功GaAlAs/GaAs单异质结半导体激光器SHL（single heterojunction laser），它虽可在室温下工作，但也只能运行于脉冲方式。[97]1970年5月初阿尔费罗夫小组研制成功在室温下输出连续波CW（continue wave）的p-GaAs/n-Ga1-xAlxAs/p-Ga1-xAlxAs双异质结半导体激光器DHL（double heterojunction laser，～900 nm）[98～99]，比潘尼希小组6月1日实验成功领先不足1个月。[100]室温下连续波半导体激光器的发明使其彻底告别了液氮温度，其波段不断被拓宽，线宽和调谐性能逐步提高，为实现光通信商业化铺平了道路，是光通信发展史上的里程碑事件，在半导体激光器的发展史上亦具有跨时代的重要意义，此后半导体激光器就进入了迅猛发展时期。1975年新泽西州半导体激光实验室（Diode Laser Labs）推出首款商业型室温半导体激光器。1976年MIT林肯实验室美籍华裔科学家谢肇金（James Jim Hsieh）小组研制成功1.25 μm的长波长室温InGaAsP半导体激光器，寿命达1500 h。[101～102]

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