湯斯的意外之舉和激光器發(fā)明的科學(xué)探索


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湯斯的意外之舉和激光器發(fā)明的科學(xué)探索　
　

　
激光是20世紀(jì)中葉以后近二三十年內(nèi)發(fā)展起來的一門新興科學(xué)技術(shù)。它是現(xiàn)代物理學(xué)的一項(xiàng)重大成果，是量子理論、無線電電子學(xué)、微波波譜學(xué)以及固體物理學(xué)的綜合產(chǎn)物，也是科學(xué)與技術(shù)、理論與實(shí)踐緊密結(jié)合產(chǎn)生的燦爛成果。激光科學(xué)從它的孕育到初創(chuàng)和發(fā)展，凝聚了眾多科學(xué)家的創(chuàng)造智慧，其中美國(guó)物理學(xué)家查爾斯·湯斯（C.H.Townes）所做的開創(chuàng)性工作尤為突出。他在量子電子學(xué)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)研究，導(dǎo)致了微波激射器和激光器的發(fā)明。湯斯的科學(xué)探索經(jīng)歷是非常值得我們學(xué)習(xí)和總結(jié)的一份珍貴的科學(xué)遺產(chǎn)，他的科學(xué)探索精神給進(jìn)行知識(shí)創(chuàng)新的后人以啟示和借鑒。
1、湯斯的奇想
在激光器發(fā)明史上有頗多的“意外事件”。1916年愛因斯坦提出了受激輻射概念，從事光學(xué)研究的物理學(xué)家們?cè)噲D實(shí)現(xiàn)受激輻射以實(shí)現(xiàn)光的放大，但直到二次大戰(zhàn)前，都沒能如愿以償。戰(zhàn)后，應(yīng)用微波技術(shù)研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)，取得了一系列成果。1951年珀塞爾（E.M.Purcell）等人用微波波譜學(xué)的方法研究 LiF晶體內(nèi)原子核磁矩構(gòu)成的順磁體系，他們用突然倒轉(zhuǎn)的方法，造成了核自旋體系布居數(shù)的反轉(zhuǎn)，意外地觀察到 50kHz的受激輻射信號(hào)。也是在1951年，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的湯斯在華盛頓會(huì)議期間的一天早晨，突然想到了可以利用分子體系的受激輻射實(shí)現(xiàn)電磁波的振蕩和放大，以縮短發(fā)射電磁波的波長(zhǎng)，這最終導(dǎo)致了氨分子振蕩器（也稱微波激射器）的意外出現(xiàn)（1953年）。
湯斯某天突發(fā)奇想：能否利用分子體系的受激輻射，以實(shí)現(xiàn)電磁波的振蕩和放大？
湯斯回憶道：“哈佛大學(xué)的珀塞爾和龐德已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，不過信號(hào)太弱，人們無法加以利用，”并不是人們認(rèn)為不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，而是沒有辦法放大，無法利用這一效應(yīng)。他和其他物理學(xué)家都在苦思這個(gè)問題。湯斯很熟悉無線電工程，他先想到了，如果將介質(zhì)置于諧振腔內(nèi)，利用振蕩和反饋，就可以放大。
關(guān)于他是如何構(gòu)思出第一臺(tái)微波激射器的，湯斯回憶他于1951年春天在華盛頓參加一個(gè)毫米波會(huì)議的情景：“很偶然，當(dāng)時(shí)我正與肖洛（A.L.Schawlow）同住一個(gè)房間。后來他也參與了激光工作。我起床很早，為了不打擾他，我出去在公園旁的長(zhǎng)凳上坐下，思考是什么原因沒有制成（毫米波發(fā)生器）。很清楚，需要找出一種制作體形極小而又精致的諧振器的方法這種諧振器具有可以與電磁場(chǎng)耦合的某種能量。這像是分子一類的東西，要做出這樣小的諧振器并供給能量會(huì)遇到多么大的技術(shù)困難？看來真正的希望在于找到一種利用分子的方法。也許正是早晨新鮮的空氣使我突然看清了這個(gè)方案的可行性。幾分鐘內(nèi)我就草擬好了方案，并計(jì)算出下列過程的條件：把分子束系統(tǒng)的高能態(tài)從低能態(tài)分開，并使之饋入腔中，腔中充有電磁輻射以激發(fā)分子進(jìn)一步輻射，從而提供了反饋，保持持續(xù)振蕩?！?br>湯斯選擇氨分子作為激活介質(zhì)，這是因?yàn)樗麖睦碚撋项A(yù)見到，氨分子的錐形結(jié)構(gòu)中有一對(duì)能級(jí)可以實(shí)現(xiàn)受激輻射，躍遷頻率為23870MHz。氨分子還有一個(gè)特性，就是在電場(chǎng)作用下，可以感應(yīng)產(chǎn)生電偶極矩。氨的分子光譜早在1934年即有人用微波方法作出透徹研究。1946年又有人對(duì)其精細(xì)結(jié)構(gòu)作了觀察，這都為湯斯的工作奠定了基礎(chǔ)。
氨分子振蕩器具有極高的頻率穩(wěn)定度，可用作頻譜標(biāo)準(zhǔn)；它只有極低的噪聲，可用作靈敏度很高的放大器。湯斯的成功激起了許多人的興趣，人們競(jìng)相研制和改進(jìn)分子振蕩器1956年的三能級(jí)方法實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的，以固體物質(zhì)作為激活介質(zhì)的微波激射器試制成功。固體微波激射器克服了氨分子振蕩器作為放大器的不足，如不能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，感應(yīng)頻率段窄，可調(diào)范圍小等，其最大的優(yōu)點(diǎn)是噪聲近于零，是超靈敏的前級(jí)接收和放大器，廣泛應(yīng)用于宇航和通信方面。
2、走一條“意外之路”：諧振腔產(chǎn)生的意想不到的困難
在其他人迷戀于氨分子振蕩器和微波激射器的時(shí)候，湯斯已經(jīng)在朝產(chǎn)生更短波長(zhǎng)的方向上努力了。他一開始的想法非常自然，只要把微波激射器的原理逐步推廣，一步一步地縮短波長(zhǎng)，例如由毫米波進(jìn)入亞毫米波段，似乎就可以了。
湯斯的想法遇到了極大的困難。問題是當(dāng)要產(chǎn)生的波長(zhǎng)比1 cm短得多時(shí)，諧振腔的大小不應(yīng)該比波長(zhǎng)大許多，但在里面卻要有足夠多的被激勵(lì)了的分子，這是非常困難的。對(duì)于更短的波長(zhǎng)，諧振腔必然過大，困此會(huì)有許多復(fù)雜的振蕩模式，這成為向更短波長(zhǎng)邁進(jìn)時(shí)的主要障礙。繼湯斯之后，一些人也在考慮推廣到產(chǎn)生更短波長(zhǎng)的可能性，他們對(duì)解決諧振腔模式的困難各持已見。
諧振腔產(chǎn)生的意想不到的因難迫使湯斯走一條“意外之路”，他不得已放棄一步一步縮短波長(zhǎng)的想法，決定“直接跳過去，越過毫米波和亞毫米波，直接進(jìn)入波長(zhǎng)短得多的紅外和可見光區(qū)域?！睖蛊炔坏靡训倪@個(gè)“意外之舉”有著高明之處，因?yàn)閷?duì)毫米波和亞毫米波段人們知之甚少，而對(duì)于紅外和可見光波段了解得較多，加之在可見光波段及其鄰近由于對(duì)應(yīng)的能量間隔較大，所以熱輻射不會(huì)很快為受激原子淹沒，也即要實(shí)現(xiàn)受激輻射更容易一些湯斯轉(zhuǎn)向追求一種能在紅外或可見光波段工作的激射器（以后被稱為激光器），他草擬了一個(gè)設(shè)計(jì)方案，但很快發(fā)現(xiàn)這不是一個(gè)理想的系統(tǒng)，因?yàn)椤罢袷帟?huì)在各種模式之間來回跳動(dòng)?！睖篂榇松罡欣Щ蟆Ｒ淮闻既坏臋C(jī)會(huì)，他去看望貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖洛，在與肖洛共進(jìn)晚餐時(shí)，談起自已的設(shè)想與困難，肖洛對(duì)此表現(xiàn)出極大的興趣，兩人欣然決定合作。肖洛早年曾用光譜法研究原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，他對(duì)光學(xué)中的法布里- 珀羅干涉儀很有研究，并對(duì)固體微波激射器有著濃厚的興趣，曾做過幾項(xiàng)重大的改進(jìn)，這些對(duì)他解決諧振腔帶來的困難起到了決定性的作用。
在經(jīng)過反復(fù)考慮之后，他向湯斯提出了關(guān)鍵性的建議：把諧振腔的大部分壁去掉，以兩個(gè)相對(duì)的反射鏡代替腔體，從而使得沿反射軸線傳播的波起振，其余部分的波消失，肖洛實(shí)際上是以光學(xué)里的法布里-珀羅干涉儀代替諧振腔，從而解決了振蕩模式的難題。
3、“意外之舉”后的“預(yù)料之中”：各類激光器不斷涌現(xiàn)，性能日臻完善
湯斯和肖洛相信他們有了適當(dāng)?shù)姆桨?，認(rèn)為利用法布里 -珀羅干涉儀作為諧振腔確實(shí)可以起到選模作用以產(chǎn)生極窄的激光束，制造出激光器是完全可以的。1958年12月，湯斯和肖洛聯(lián)名在《物理評(píng)論》上發(fā)表了題為《紅外區(qū)和光激射器》的論文。在這篇后來被譽(yù)為是激光器的奠基性的經(jīng)典文獻(xiàn)里，他們明確指出，使用分子與原子受激輻射過程的放大器與振蕩器，在原理上可以推廣到紅外、可見光波段或更遠(yuǎn)，產(chǎn)生很好的單色輻射。他們?cè)敿?xì)討論了激光器的理論問題，討論了法布里- 珀羅干涉儀與一般微波共振腔的關(guān)系，尤其論述了用法布里 -珀羅干涉儀減少過剩波型和自發(fā)輻射的原理，最后對(duì)以鉀蒸氣為工作物質(zhì)，鉀燈為泵浦源的紅外激光器進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。
湯斯和消洛的文章把人們從諧振腔的迷宮里喚醒。人們意識(shí)到紅外和可見光波段是比較容易突破的，激光器的出現(xiàn)已為期不遠(yuǎn)，因?yàn)橹饕睦щy——諧振腔的困難已經(jīng)被克服，許多人致力解決第二個(gè)困難——尋找合適的體系和方法實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布。繼湯斯和肖洛之后，接連提出了十幾個(gè)關(guān)于激光器的設(shè)計(jì)方案。湯斯早就著手他的鉀蒸氣激光器的試驗(yàn)了，肖洛則致力于紅寶石晶體作為激活介質(zhì)的研究，貝爾實(shí)驗(yàn)室有人在試驗(yàn)以放電方法使氨氣得到反轉(zhuǎn)分布，期望得到連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的氦氖氣體激光器。美國(guó)休斯公司的梅曼（T.Maiman）在1960年6月最先試制成紅寶石激光器，他把一根紅寶石圓柱體兩端磨平鍍上銀，放在螺旋形氙閃光燈中，在不斷增強(qiáng)閃光強(qiáng)度過程中，發(fā)現(xiàn)從紅寶石一端輸出的熒光增強(qiáng)，譜線寬度變窄，方向性增強(qiáng)，這是人類第一次得到的激光振蕩。此后，各類激光器不斷涌現(xiàn)，性能日臻完善，激光器研制成為引人注目的一個(gè)高科技領(lǐng)域。
4、回眸激光器發(fā)明史，湯斯驚訝：在幾十年前如果有人應(yīng)用受激輻射概念研究
光譜學(xué)，順著這個(gè)方向本應(yīng)該很容易制造出激光器來……湯斯由于他在微波激射器和激光器研究上的開創(chuàng)性工作獲得1964年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。激光器發(fā)明史上頗多的“意外事件”常常令人感嘆!湯斯說，使他感到驚訝的是，在幾十年前就有人應(yīng)用受激輻射概念研究光譜學(xué)，順著這個(gè)方向應(yīng)該很容易制造出激光器來。但歷史進(jìn)程并非如此，激光器的發(fā)明經(jīng)歷了頗為曲折的過程，說它是“意外發(fā)明”一點(diǎn)也不過份……它是人們?cè)噲D把微波激射器向更短波段推進(jìn)時(shí)不得已“退”到光波段而求得的。其他人也有同感。
人們?cè)诳茖W(xué)探索剛起步時(shí)，常常會(huì)感到前途渺茫，路途艱險(xiǎn)；而當(dāng)達(dá)到希望的頂點(diǎn)時(shí)，有時(shí)卻難免對(duì)自己走了坎坷的道路，為沒能走捷徑而遺憾和驚訝。但在事實(shí)上，攀登科學(xué)高峰幾乎沒有平坦的道路可走，因?yàn)榭茖W(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)發(fā)明的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是探索性，人們認(rèn)識(shí)和利用自然規(guī)律是一個(gè)十分艱難和復(fù)雜的過程，不可能遵循某條預(yù)定的，意科之中的道路實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目的。它既有目的性，又有意外性，但這種意外性有時(shí)恰恰提供了機(jī)遇，提供了重要的線索，導(dǎo)致了新發(fā)現(xiàn)或新發(fā)明。湯斯等人正是善于捕捉機(jī)遇，抓住線索不放，實(shí)現(xiàn)重大突破的。人們?cè)诟袊@之余，更多的則應(yīng)從歷史的進(jìn)程中得到啟示和借鑒，登高望遠(yuǎn)，向更高的頂點(diǎn)攀登。?
參 考 文 獻(xiàn)
郭奕玲等. 物理學(xué)史. 北京: 清華大學(xué)出版社，1993
陳敬全. 激光：20世紀(jì)科學(xué)之光. 上海: 科學(xué)，2000（6）
母國(guó)光、戰(zhàn)元齡. 光學(xué). 北京: 人民教育出版社，1978