物理学家的技术发明案例分析（Ⅲ）激光器发明过程的创造学启示

刘家冈 李俊清 王本楠

（1北京林业大学，北京 100083）

（2中国科学院生态环境研究中心，北京 100083）

物理学家的技术发明案例分析（Ⅲ）激光器发明过程的创造学启示

刘家冈1李俊清1王本楠2

（1北京林业大学，北京 100083）

（2中国科学院生态环境研究中心，北京 100083）

扼要叙述了物理学家发明激光器的过程和思路，分析其在创造学上的启示.指出它符合发明的“效应潜力挖掘法”、“条件实现改进法”和“效应倍增法”等三条创造技法.

激光器；发明；创造技法；效应；条件；倍增

文献［1］根据法拉第首先发明电动机和发电机的实际过程，提出了利用科学原理进行技术发明的三条创造技法，也就是“效应潜力挖掘法”、“条件实现改进法”和“效应倍增法”.文献［2］证明了物理学家在核能的开发利用过程中也还是采用了这三条创造技法.本文则分析了激光技术开发的历史，表明物理学家在其中实际上也是遵循、采用了这三条创造技法.

众所周知，激光器的发明，是20世纪科技史上最重要、影响最深远的事件之一，是基础科学成果转化成生产力的典范，也是一场物理学家亲自扮演发明家的历史大戏.为了发明激光器，物理学家经历了大约40年的艰苦探索.本文扼要地叙述物理学家发明激光器的过程和思路，分析其在创造学上的启示.

1 受激辐射的潜力

1917年，爱因斯坦为解释黑体辐射定律，研究黑体辐射是怎样达到热平衡时，发现仅凭当时已知的自发辐射和受激吸收是不够的.为了使黑体辐射能够达到热平衡，他提出受激辐射的理论.所谓受激辐射，就是一个入射光子，经过一个原子，当入射光子的频率与原子的两个能级差之间，满足玻尔的跃迁假设时，这个原子就会从一个高能级受激跃迁到一个低能级，同时发出一个光子，它跟原来那个激发它的入射光子具有完全相同的频率、方向、偏振和相位，二者是相干的光子.

依据受激辐射理论，一个光子，可以引发一个相干光子，一个变两个.那么，只要条件合适，就可以从两个变四个，四个再变八个，……如此变下去，不就实现了光放大了吗！于是人们认识到，受激辐射的效应，利用这种正反馈的方法，具有光放大的极大潜力.

不过，具体如何实现这种光放大？那时没有人知道，这就放下来了.

但是物理学并没有停止其自身发展的脚步.

1923年，德布罗意提出了物质波的概念，即实物粒子具有波粒二象性.

1925—1926年，海森伯、玻恩、约旦建立了矩阵力学.

1926年，薛定谔提出薛定谔方程，建立了波动力学，统一的量子力学诞生.

英国远征军1914年8月开赴法国时仅有827辆汽车（包括747辆征用的车）和25辆摩托车，到战争结束前几个月，英国陆军车辆达到了5.6万辆卡车、2.3万辆汽车、3.4万辆摩托车和机动脚踏车。此外，1917年4月，参战的美国带到法国5万辆汽油驱动车。这些车辆根据部队的需要，将部队和补给从一地迅速运到另一地。而德国占据优势的火车因为缺乏机动性，在战争中渐渐失去优势。

1928年，布洛赫利用量子力学研究了固体周期势中的自由电子的传播，提出了能带论，开创了固体物理的新时代.

1931年，威尔逊用能带论解释了绝缘体、导体的区别，从而奠定了半导体物理的基础.到20世纪40年代末期，固体物理学（包括半导体物理学）获得了爆炸式的发展.

总之，经过1920—1940年代，量子力学和固体物理学相继产生并获得了长足发展，而光放大这个话题却被搁置一边.

现在回过头来看，为什么从1917年爱因斯坦提出受激辐射，到1950—1960年期间实现微波受激辐射和光受激辐射，其中约有40年的空白？作者认为可能有三个重要原因.其一是开始时还没有量子力学和固体物理学，人们对物质的能级结构没有系统概念，不太可能为光放大设计出合适的机构；另一个就是后来量子力学以及固体物理学激动人心的迅速发展，吸引了大批优秀物理学家的注意力；再后来发生了第二次世界大战，大批物理学家又卷入了战争，进行雷达技术的研究，特别是参与研制核武器的曼哈顿计划.虽然1940年前后，就有人在研究气体放电实验中，观察到粒子数反转现象，按当时的实验技术基础，就具备建立某种类型的激光器的条件.是战争拴住了大批优秀的物理学家，无暇顾及这个光放大的设想.当时爱因斯坦则沉浸在他的统一场论的宏伟研究中.

2 微波激射器的诞生

“二战”后，实现受激辐射的条件基本上具备了.量子力学、固体物理学（包括半导体物理学）已经成熟，大批物理学家从军事部门回到大学等民间学术机构，一些人在战争期间因为研制雷达而在微波波谱学方面有着丰富的科研积累，成为受激辐射研究的主力.

其中，美国物理学家C.H.汤斯是一个关键人物.“二战”中，他在贝尔实验室从事雷达研究，并成为微波波谱学方面的专家.“二战”后的1948年，他进入哥伦比亚大学任教.因为雷达技术涉及微波的发射和接收，汤斯一直希望找到一种能产生高强度毫米波的器件.而用传统器件因为尺寸会太小而非常困难，他想到利用微波和分子之间的相互作用、特别是利用受激辐射效应来实现.

当时人们已经认识到，粒子数反转是放大的必要条件.1951年，哈佛大学的珀塞尔和庞德用核磁共振法获得了“粒子数反转”，粒子数反转使气体受到激发，产生大量的受激微波辐射，为激光的诞生创造了条件.但它们的信号还是太弱，人们无法实际利用.

汤斯感到，并不是不能实现粒子数反转，而是没有办法进一步放大.他一直在苦思这个问题.因为汤斯很熟悉微波工程，他首先想到了谐振腔.他设想，如果将工作介质置于谐振腔内，使辐射反复振荡，利用受激辐射的正反馈作用，也许可以放大.

汤斯小组历经两年的试验，终于在1953年制成了第一台用氨分子作介质的微波激射器，取名为“微波激射放大器”（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation），简 称MASER（微波激射器）（见图1）.

图1 汤斯和他的微波激射器

3 激光器的诞生

到了1958年，汤斯和A.I.肖洛发表了著名论文“红外与光学激射器”，指出了实现光受激辐射的可能性，以及实现“粒子数反转”的必要条件.他们的论文使在光学领域工作的物理学家马上兴奋起来，纷纷提出各种实现粒子数反转的实验方案，从此开辟了崭新的激光研究领域.同年苏联科学家N.G.巴索夫和A.M.普罗霍罗夫发表了“实现三能级粒子数反转和半导体激光器建议”论文.

在研究激光器的过程中，应把引进光学谐振腔的功劳归于肖洛.汤斯原先设计的封闭型谐振腔振动模式太复杂.而肖洛长期从事光谱学研究，熟悉各种干涉仪.他设计的开放式谐振腔结构，振动模式比较简单，就是从法布里－珀洛干涉仪那里得到启示的.正如肖洛自己所说：“我开始考虑光谐振器时，从两面彼此相向镜面的法布里－珀洛干涉仪结构着手研究，是很自然的.”

在1959年9月召开的第一次国际量子电子会议上，肖洛提出了用红宝石作为激光的工作物质.不久，肖洛又具体地描述了激光器的结构：“固体微波激射器的结构较为简单，实质上，它有一棒（红宝石），它的一端可作全反射，另一端几乎全反射，侧面作光抽运.”［4］

遗憾的是，肖洛没有及时得到足够的光能量使粒子数反转.因为肖洛关于红宝石激光器的设计已经公之于世，这个转瞬即逝的历史机遇戏剧性地被别人抓走了，休斯公司的物理学家T.H.梅曼按照肖洛的设计方案，巧妙地利用强大的闪光氙灯作光抽运，激发了红宝石分子，从而获得粒子数反转，抢先获得了成功.1960年6月，在罗切斯特大学，召开了一个有关光的相干性的会议，在会议上，梅曼成功地操作演示了一台用红宝石制成的激光器.同年7月份，梅曼的激光器被公布于众.世界上第一台激光器宣告诞生（见图2）.

图2 红宝石激光器原理图

1964年，诺贝尔物理学奖一半授予汤斯，另一半授予苏联科学院列别捷夫物理研究所的巴索夫和普罗霍罗夫，以表彰他们从事量子电子学方面的基础工作，这些工作导致了基于微波激射器和激光原理制成的振荡器和放大器.梅曼也获得了两次诺贝尔奖提名，并获得了物理学领域著名的日本奖和沃尔夫奖.肖洛则因为激光光谱学方面的卓越成就而获得了1981年诺贝尔物理学奖.

4 案例分析

1）基础科学的每一个发现总有它的应用潜力.如前述，依据受激辐射理论，一个光子，可以引发一个相干光子，一个变两个.那么，只要条件合适，就可以从两个变四个，四个再变八个，……如此变下去，不就实现了光放大了吗？于是人们认识到，爱因斯坦提出的受激辐射理论，具有光放大的潜力.这就是对受激辐射理论“效应潜力”的挖掘.

2）当时人们已经认识到，粒子数反转是放大的必要条件.为了实现这个条件，汤斯采用氨分子.这是因为汤斯对氨分子的特性很了解，而且之前已有人用微波的方法对氨分子的光谱作了深入研究，其精细结构也被观察.为了加强微波的放大，汤斯想到了加谐振腔.这是因为汤斯有微波研究的背景和经验，而在传统微波线路中，谐振腔是主要器件之一.在后来的红外及可见光波段的受激放大中，汤斯设计的封闭型谐振腔因为模式太复杂不好用.光学家肖洛熟悉光学仪器，就把它改用法布里－珀洛干涉仪代替，获得了成功.知识面和经验决定了发明家的选择.前述汤斯采用氨分子来实现粒子数反转和微波激射器采用谐振腔，以及光激射器采用法布里－珀洛干涉仪作谐振腔，等等，都是“条件实现改进法”的体现.

3）微波激射器的谐振腔和光激射器的光学谐振腔，使辐射在其中反复振荡，利用受激辐射的正反馈作用使得微波和光波极大地增强，可以看成“效应倍增法”的使用.

4）激光器的发明，综合了受激辐射理论、粒子数反转、气体固体能级结构、谐振腔等基本理论.没有这些基础科学的积累，就不可能有激光器的发明，也不可能有开创性的发明.说明基础科学的研究和积累，对形成一个国家创造力的极端重要性.另一方面，激光器的发明，显然需要高深的物理学知识和物理实验能力，从爱因斯坦高瞻远瞩的受激辐射理论，到汤斯、肖洛等人对气体、固体能级的理解，以及他们的实验方案设计，都不可能由局外人参与，是一场责无旁贷地由物理学家亲自扮演发明家的历史大戏.这对中国的物理学家也许是一个启示吧.

［1］ 刘家冈，李俊清，王本楠.物理学家的技术发明案例分析（Ⅰ）.物理与科学（待发表）

［2］ 刘家冈，李俊清，王本楠.物理学家的技术发明案例分析（Ⅱ）.物理与科学（待发表）

［3］ 董克.人类希望之光——激光.上海：上海交通大学出版社

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

2011－09－07）

刘家冈（1942年出生），男，汉族，湖南人，北京林业大学理学院教授，主要从事物理教学与研究.