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

劉家岡 李俊清 王本楠

（1北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）

（2中國(guó)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(guò)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(guó)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(guò)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(shí)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(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的實(shí)際過(guò)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(shí)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(guò)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(shí)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(chǎng)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?cái)⑹鑫锢韺W(xué)家發(fā)明激光器的過(guò)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(shí)，發(fā)現(xiàn)僅憑當(dāng)時(shí)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(gè)入射光子，經(jīng)過(guò)一個(gè)原子，當(dāng)入射光子的頻率與原子的兩個(gè)能級(jí)差之間，滿足玻爾的躍遷假設(shè)時(shí)，這個(gè)原子就會(huì)從一個(gè)高能級(jí)受激躍遷到一個(gè)低能級(jí)，同時(shí)發(fā)出一個(gè)光子，它跟原來(lái)那個(gè)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(gè)光子，可以引發(fā)一個(gè)相干光子，一個(gè)變兩個(gè).那么，只要條件合適，就可以從兩個(gè)變四個(gè)，四個(gè)再變八個(gè)，……如此變下去，不就實(shí)現(xiàn)了光放大了嗎！于是人們認(rèn)識(shí)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(guò)，具體如何實(shí)現(xiàn)這種光放大？那時(shí)沒有人知道，這就放下來(lái)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(shí)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(dòng)力學(xué)，統(tǒng)一的量子力學(xué)誕生.

英國(guó)遠(yuǎn)征軍1914年8月開赴法國(guó)時(shí)僅有827輛汽車（包括747輛征用的車）和25輛摩托車，到戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束前幾個(gè)月，英國(guó)陸軍車輛達(dá)到了5.6萬(wàn)輛卡車、2.3萬(wàn)輛汽車、3.4萬(wàn)輛摩托車和機(jī)動(dòng)腳踏車。此外，1917年4月，參戰(zhàn)的美國(guó)帶到法國(guó)5萬(wàn)輛汽油驅(qū)動(dòng)車。這些車輛根據(jù)部隊(duì)的需要，將部隊(duì)和補(bǔ)給從一地迅速運(yùn)到另一地。而德國(guó)占據(jù)優(yōu)勢(shì)的火車因?yàn)槿狈C(jī)動(dòng)性，在戰(zhàn)爭(zhēng)中漸漸失去優(yōu)勢(shì)。

1928年，布洛赫利用量子力學(xué)研究了固體周期勢(shì)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(shí)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(guò)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(zhǎng)足發(fā)展，而光放大這個(gè)話題卻被擱置一邊.

現(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)看，為什么從1917年愛因斯坦提出受激輻射，到1950—1960年期間實(shí)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(gè)重要原因.其一是開始時(shí)還沒有量子力學(xué)和固體物理學(xué)，人們對(duì)物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)沒有系統(tǒng)概念，不太可能為光放大設(shè)計(jì)出合適的機(jī)構(gòu)；另一個(gè)就是后來(lái)量子力學(xué)以及固體物理學(xué)激動(dòng)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(lái)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(zhēng)，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(jì)劃.雖然1940年前后，就有人在研究氣體放電實(shí)驗(yàn)中，觀察到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，按當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)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(zhēng)拴住了大批優(yōu)秀的物理學(xué)家，無(wú)暇顧及這個(gè)光放大的設(shè)想.當(dāng)時(shí)愛因斯坦則沉浸在他的統(tǒng)一場(chǎng)論的宏偉研究中.

2 微波激射器的誕生

“二戰(zhàn)”后，實(shí)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(zhēng)期間因?yàn)檠兄评走_(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(guó)物理學(xué)家C.H.湯斯是一個(gè)關(guān)鍵人物.“二戰(zhàn)”中，他在貝爾實(shí)驗(yàn)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?yàn)槔走_(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?yàn)槌叽鐣?huì)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(lái)實(shí)現(xiàn).

當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)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(hào)還是太弱，人們無(wú)法實(shí)際利用.

湯斯感到，并不是不能實(shí)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(gè)問(wèn)題.因?yàn)闇购苁煜の⒉üこ蹋紫认氲搅酥C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?zhàn)饔?，也許可以放大.

湯斯小組歷經(jīng)兩年的試驗(yàn)，終于在1953年制成了第一臺(tái)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(jiǎn) 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(shí)現(xiàn)光受激輻射的可能性，以及實(shí)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(lái)，紛紛提出各種實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)三能級(jí)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(guò)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(jì)的封閉型諧振腔振動(dòng)模式太復(fù)雜.而肖洛長(zhǎng)期從事光譜學(xué)研究，熟悉各種干涉儀.他設(shè)計(jì)的開放式諧振腔結(jié)構(gòu)，振動(dòng)模式比較簡(jiǎn)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(shuō)：“我開始考慮光諧振器時(shí)，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(guó)際量子電子會(huì)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(jiǎn)單，實(shí)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(shí)得到足夠的光能量使粒子數(shù)反轉(zhuǎn).因?yàn)樾ぢ尻P(guān)于紅寶石激光器的設(shè)計(jì)已經(jīng)公之于世，這個(gè)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(jì)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(gè)有關(guān)光的相干性的會(huì)議，在會(huì)議上，梅曼成功地操作演示了一臺(tái)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(tái)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(jiǎng)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(jiǎng)提名，并獲得了物理學(xué)領(lǐng)域著名的日本獎(jiǎng)和沃爾夫獎(jiǎng).肖洛則因?yàn)榧す夤庾V學(xué)方面的卓越成就而獲得了1981年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

4 案例分析

1）基礎(chǔ)科學(xué)的每一個(gè)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(gè)光子，可以引發(fā)一個(gè)相干光子，一個(gè)變兩個(gè).那么，只要條件合適，就可以從兩個(gè)變四個(gè)，四個(gè)再變八個(gè)，……如此變下去，不就實(shí)現(xiàn)了光放大了嗎？于是人們認(rèn)識(shí)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(duì)受激輻射理論“效應(yīng)潛力”的挖掘.

2）當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是放大的必要條件.為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)條件，湯斯采用氨分子.這是因?yàn)闇箤?duì)氨分子的特性很了解，而且之前已有人用微波的方法對(duì)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?yàn)闇褂形⒉ㄑ芯康谋尘昂徒?jīng)驗(yàn)，而在傳統(tǒng)微波線路中，諧振腔是主要器件之一.在后來(lái)的紅外及可見光波段的受激放大中，湯斯設(shè)計(jì)的封閉型諧振腔因?yàn)槟Ｊ教珡?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(shí)面和經(jīng)驗(yàn)決定了發(fā)明家的選擇.前述湯斯采用氨分子來(lái)實(shí)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(shí)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?zhàn)饔檬沟梦⒉ê凸獠O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(jí)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(shuō)明基礎(chǔ)科學(xué)的研究和積累，對(duì)形成一個(gè)國(guó)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(shí)和物理實(shí)驗(yàn)?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(duì)氣體、固體能級(jí)的理解，以及他們的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，都不可能由局外人參與，是一場(chǎng)責(zé)無(wú)旁貸地由物理學(xué)家親自扮演發(fā)明家的歷史大戲.這對(duì)中國(guó)的物理學(xué)家也許是一個(gè)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.