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60年前的群雄逐鹿—激光發明的曆程與啟示

星之球科技 來源:中科院物理所2020-12-02 我要評論(0 )   

梅曼其人1960年4月,休斯實驗室從(cong) 40公裏以外的Culver City搬到了Malibu,啟用了一座嶄新的研究大樓。這個(ge) 大樓非常漂亮,有著科研工作者最理想的工作環境,梅曼從(cong) 自己的...

梅曼其人

1960年4月,休斯實驗室從(cong) 40公裏以外的Culver City搬到了Malibu,啟用了一座嶄新的研究大樓。這個(ge) 大樓非常漂亮,有著科研工作者最理想的工作環境,梅曼從(cong) 自己的辦公室可以眺望太平洋。在搬到這裏一個(ge) 月之後,也就是1960年5月16日,梅曼成功研製了人類曆史上第一台激光器。

梅曼(1927-2007)的全名是Theodore Maiman。他的父親(qin) 是位工程師,梅曼從(cong) 小跟父親(qin) 學習(xi) 電子工程方麵的知識。1949年,梅曼在科羅拉多大學電子工程係獲得了本科學位。雖然本科就讀電子工程係,梅曼卻對物理學更感興(xing) 趣,他的夢想是到斯坦福大學物理係攻讀博士。不幸的是,斯坦福大學拒絕了他的申請,與(yu) 此同時他收到了哥倫(lun) 比亞(ya) 大學的錄取通知書(shu) 。

當年的哥倫(lun) 比亞(ya) 大學物理係,大師雲(yun) 集,如日中天。但是梅曼對斯坦福大學情有獨鍾,雖然被拒絕,卻不肯放棄初衷,從(cong) 老家丹佛搭車一路到了加州斯坦福大學,想方設法敲開許多教授的辦公室的門,尋找讀博士的機會(hui) 。最後雖然沒有打動斯坦福大學物理係的教授,卻被斯坦福大學電子工程係錄取。

1951年,在電子工程係獲得碩士學位後,梅曼再次申請斯坦福大學物理係。這一年,蘭(lan) 姆(Willis Lamb,1955年諾貝爾物理學獎得主)正好離開哥倫(lun) 比亞(ya) 大學加盟斯坦福大學,需要有光學和電子工程背景的學生建立實驗室。蘭(lan) 姆看重梅曼的動手能力,讓梅曼加入自己的課題組。在博士期間,梅曼主要從(cong) 事光學方麵的工作,用光學手段研究一些原子氣體(ti) 的性質。1955年獲得博士學位後,梅曼進入休斯實驗室,第一個(ge) 項目是研製一台基於(yu) 紅寶石的微波激射器(Ruby MASER)。


湯斯與(yu) MASER

微波激射器(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation,MASER),譯為(wei) “利用受激輻射對微波進行放大”。“受激輻射”源自愛因斯坦在1917年發表的一篇文章,他從(cong) 理論上指出,當光與(yu) 物質相互作用時,除了吸收和自發輻射之外,還存在第三種過程——受激輻射。

自發輻射發生時,處於(yu) 上能級的原子係統自發地躍遷到下能級,同時釋放出一個(ge) 光子;受激輻射過程中,一個(ge) 頻率合適的入射光子誘發處於(yu) 高能級狀態的原子係統躍遷到低能級狀態,額外釋放出與(yu) 入射光子完全相同的光子。為(wei) 了能保證對光的放大超過吸收,前提條件是實現粒子數反轉。一般情況下,物質處於(yu) 熱平衡狀態,粒子數的分布滿足玻爾茲(zi) 曼分布,能級越高,粒子數越少,此時受激輻射弱於(yu) 吸收。粒子數反轉意味著增益介質要遠離平衡態,從(cong) 而處於(yu) 上能級的粒子數超過處於(yu) 下能級的粒子數,這樣光在增益介質中傳(chuan) 播時受到的增益才可能大於(yu) 損耗,達成對光的放大。

MASER的發明人是湯斯(Charles Townes,1915-2015,1964年諾貝爾物理學獎得主)。他於(yu) 1915年出生在美國的南卡羅來納州。1939年,年僅(jin) 24歲的湯斯從(cong) 加州理工學院獲得博士學位,就職於(yu) 貝爾實驗室。跟很多人的想法一樣,湯斯選擇貝爾實驗室看重的是其良好的科研環境,希望以此為(wei) 跳板,下一步到大學做教授。果然,湯斯在1948年收到了哥倫(lun) 比亞(ya) 大學物理係的邀請,成為(wei) 該係的正教授,並且雇了肖洛(Arthur Schawlow,1921-1999,1981年諾貝爾物理學獎得主)為(wei) 博士後。肖洛1921年出生在美國,隨父母在加拿大多倫(lun) 多長大,並在多倫(lun) 多大學獲得博士學位。1951年,肖洛跟湯斯的妹妹結婚。

1951年4月26日,湯斯產(chan) 生了如何做MASER的思路,他想到了如何在氨分子裏實現粒子數反轉的方法。氨分子是二能級係統,直接實現粒子數反轉是不可能的,但是湯斯的辦法非常巧妙:利用氣體(ti) 放電可以讓一小部分氨分子處於(yu) 激發態,然後通過磁場把處於(yu) 基態的氨分子和處於(yu) 激發態的氨分子區分開來,將激發態的氨分子注入到一個(ge) 微波諧振腔裏,在這個(ge) 諧振腔裏就實現了粒子數反轉。有了MASER的想法之後,湯斯著手實驗驗證。1951年底,肖洛離開哥倫(lun) 比亞(ya) 大學物理係,到貝爾實驗室工作。湯斯將MASER的工作交給一個(ge) 叫James Gordon的博士生,經過三年的努力,世界上第一台MASER問世。


知之非難,行之不易

從(cong) 1954年到1957年,MASER的技術突飛猛進,人們(men) 發明了用固體(ti) 作為(wei) 增益介質的MASER,比如用合適波長的光進行抽運,具有三能級結構的紅寶石就可以實現粒子數反轉。同時,很多課題組想到,既然可以在微波頻段製造MASER,那能否在更高頻率的頻段實現粒子數反轉,建成光波波段的激射器(也就是激光)呢?作為(wei) MASER的發明人,湯斯當然知道激光的重要性。他認為(wei) 光的激射是MASER自然往前的發展,於(yu) 是將這種裝置稱為(wei) Optical MASER。

實現Optical MASER的難點有三個(ge) :一是工作在光波波段的增益介質,實現粒子數反轉,二是合適的抽運方式,三是諧振腔,更是難中之難。當時大家認為(wei) 諧振腔的尺度應該和波長差不多,湯斯的MASER的工作波長為(wei) 1.5 cm左右,而光波的波長比微波短幾個(ge) 數量級。如果仿照微波的做法,做一個(ge) 波長大小的諧振腔,難度非常高。在1957年以前,湯斯認為(wei) 幾乎不可能通過受激輻射實現對光波的放大。到了1957年夏天,他變得樂(le) 觀了一點,但也認為(wei) 至少還需要25年時間。

本著先易後難的原則,湯斯需要首先確定增益介質和抽運方式。當時在哥倫(lun) 比亞(ya) 大學物理係有很多人用光抽運氣體(ti) ,以實現粒子數反轉產(chan) 生微波,庫什(Polykarp Kusch, 1911-1993,1955年諾貝爾獎得主)組裏就在做這樣的研究。庫什有一個(ge) 博士生叫古德(Gordon Gould, 1920-2005),湯斯得知他對光抽運有經驗,就把他叫到自己的辦公室進行了兩(liang) 次談話。


湯斯與(yu) 肖洛聯手

湯斯從(cong) 1957年起開始擔任貝爾實驗室的顧問,每個(ge) 月有兩(liang) 三天跨過哈德遜河,到位於(yu) 新澤西的貝爾實驗室工作。這時肖洛已經在那裏工作六年。肖洛到貝爾實驗室工作時,本是要跟隨巴丁(John Bardeen,1908-1991,1956年和1972年諾貝爾物理獎得主)一起進行超導方麵的研究。1951年,就在肖洛來貝爾實驗室之前不久,巴丁接受了來自伊利諾伊大學的邀請,離開了貝爾實驗室,因此肖洛在加入貝爾實驗室的前幾年一直沒什麽(me) 具體(ti) 科研工作。

當時,他被提名為(wei) 貝爾實驗室安全管理員。後來肖洛回憶說自己在那段時間裏,幾乎沒什麽(me) 事可幹,非常害怕,覺得自己的職業(ye) 生涯就此要斷送了。他說自己作為(wei) 安全管理員,所做的唯一的一件事情是為(wei) 一起安全事故寫(xie) 報告,那起安全事故是一名理論物理學家竟然用鉛筆戳傷(shang) 了自己。肖洛在這個(ge) 報告的最後不忘幽默一下,建議為(wei) 做理論的人提供專(zhuan) 門培訓,訓練他們(men) 如何正確使用鉛筆。

湯斯看到肖洛在貝爾實驗室比較消沉,於(yu) 是向他介紹了Optical MASER這一初步構想,告訴肖洛可以使用光抽運和使用鉀金屬氣體(ti) 作增益介質,但是還不知道怎麽(me) 製作諧振腔。肖洛對此也很感興(xing) 趣,隨即二人開始合作,肖洛很快就想到可以用由兩(liang) 麵平行鏡子組成的法布裏-珀羅腔作為(wei) 激光器的諧振腔,於(yu) 是實現激光器的三個(ge) 部件全部齊全。兩(liang) 人合作寫(xie) 了一篇理論文章《Infrared and Optical MASERs》,於(yu) 1958年12月15日發表在了Physical Review上 。這篇文章第一次在理論上預言了激光的可行性,詳細地分析了在法布裏-珀羅腔充當諧振腔的情況下,利用光抽運鉀金屬氣體(ti) 產(chan) 生激光輸出。在湯斯的堅持下,貝爾實驗室在文章發表之前就為(wei) Optical MASER申請了專(zhuan) 利。


特立獨行的古德

湯斯嚴(yan) 重低估了古德。古德碩士畢業(ye) 於(yu) 耶魯大學,1944年到1945年參加曼哈頓計劃。他青年時異常激進,當時美國盛行麥卡錫主義(yi) ,導致古德的研究之路極度坎坷。1949年,他到哥倫(lun) 比亞(ya) 大學物理係跟隨庫什讀博士。

1957年,37歲的古德基本完成了實驗工作,正要集中精力撰寫(xie) 博士論文。古德隻比湯斯小五歲,在湯斯和其他教授看來,古德比較懶散,讀了八年博士也沒有像樣的成果,隻是在混著等畢業(ye) 而已。古德的性格跟湯斯迥異,湯斯是傳(chuan) 統意義(yi) 上的學院派教授,工作努力且非常自律,而古德思路活躍,敢於(yu) 冒險,一直夢想成為(wei) 偉(wei) 大的發明家,通過發明實現財務自由。

與(yu) 湯斯談話之後,古德極度興(xing) 奮,思考到底該怎麽(me) 實現激光。在與(yu) 湯斯討論時,古德已經意識到可以用光抽運氣體(ti) ,因此難點在於(yu) 合適的諧振腔。經過幾個(ge) 星期的思考,他也獨立想到激光的諧振器可以采用法布裏-珀羅腔。

1957年12月13日,古德將自己關(guan) 於(yu) 激光的構想寫(xie) 在了實驗本上,題目叫《Some rough calculations on the feasibility of a LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation》(《關(guan) 於(yu) 激光:基於(yu) 受激輻射光放大可行性的一些粗略計算》)。所以我們(men) 今天熟知的激光的名字來自古德。數年之後,關(guan) 於(yu) 激光的命名還有爭(zheng) 議,湯斯和肖洛堅持認為(wei) 激光器應該叫Optical MASER。肖洛還開玩笑說,如果按照古德的說法,光在法布裏-珀羅腔中諧振,是一個(ge) Light Oscillation的過程,而不是Light Amplification,所以激光的名字應該是Loser。

必須說明,湯斯和古德對激光的認識有很大不同。湯斯認為(wei) ,就像MASER一樣,激光最大的優(you) 點是在於(yu) 其頻率單一;古德直覺更準,他意識到激光器所產(chan) 生的光不僅(jin) 頻率單一,更重要的是它是相幹光,發散角非常小,在空間上可以形成傳(chuan) 輸距離很遠的光束,可以把能量很快地傳(chuan) 輸到遠方;如果聚焦的話,極小的光斑產(chan) 生極高的光強,說不定可用作激光武器或是引發核聚變等。

1958年1月,古德向一名律師詢問如何申請專(zhuan) 利。在交流的過程中,古德誤解了律師的意思,以為(wei) 隻有先做出激光器才能申請專(zhuan) 利,因而錯過了早於(yu) 貝爾實驗室申請專(zhuan) 利的時機。1958年3月,古德做出人生中的重大決(jue) 定:從(cong) 已經讀了快九年的哥倫(lun) 比亞(ya) 大學物理係退學,放棄博士學位。他覺得激光有巨大的商機,一定要爭(zheng) 分奪秒。他加盟了一家名為(wei) TRG的初創公司。1959年初,他從(cong) 國防部獲得了99.98萬(wan) 美元用於(yu) 研發第一台激光器。

看起來古德在這場競爭(zheng) 中處於(yu) 領先地位,實則不然。由於(yu) 早年參加激進活動,導致他遲遲不能通過政審。雖然巨額經費來自於(yu) 古德的項目書(shu) ,但他卻被排除在任何實驗工作之外,甚至無權再看自己寫(xie) 的項目書(shu) 。這導致古德在TRG處於(yu) 一種荒謬的狀態,他甚至不能進入那棟專(zhuan) 門用於(yu) 研發激光的實驗樓。尤為(wei) 尷尬的是,那些真正動手研發激光的人碰到問題,向古德請教時為(wei) 了防止泄密,不能說自己在研發激光,隻能委婉地問:假如我們(men) 在搭建一台激光,我是說假如,並不是真的在做,如果發現激光不能起振,要是你在做這個(ge) 實驗的話,你覺得應該怎麽(me) 做?情況就是如此令人啼笑皆非。古德能看不出來嗎?可是他還是提出自己的建議,這些人再去做實驗,獲得一些實驗結果再反饋給古德。整個(ge) 過程效率很低,讓古德在這場激光的競爭(zheng) 中漸漸落後。


群英聚會(hui) ,華山論“劍”

1959年,湯斯與(yu) 肖洛在Physical Review上發表文章後,很多研究組都試圖第一個(ge) 做出激光,競爭(zheng) 異常激烈。僅(jin) 貝爾實驗室就有四個(ge) 組嚐試不同的辦法,嚐試不同的增益介質,包括氣體(ti) 、半導體(ti) 和晶體(ti) 。在這個(ge) 階段,大家遮遮掩掩,互相提防。1959年9月,湯斯把大家叫在一起,在離紐約曼哈頓不遠的一個(ge) 度假村召開了一個(ge) 小型會(hui) 議,共有163人參加,其中17人來自貝爾實驗室,休斯實驗室也來了4人,其中之一就是梅曼。

梅曼很晚加入這場競賽,確切地說是參加這場會(hui) 議之後。1956年,梅曼開始在休斯實驗室工作,承擔的任務是為(wei) 軍(jun) 方做一台基於(yu) 紅寶石的微波激射器。紅寶石為(wei) 三能級係統,可以利用光抽運。當時紅寶石MASER已經非常成熟,軍(jun) 方希望將其小型化,發射到太空。梅曼花了三年時間完成了該項目,但這時軍(jun) 方對此已失去興(xing) 趣。在1959年的這個(ge) 會(hui) 議上,梅曼介紹了自己這方麵的工作。會(hui) 議上大家都隻對激光感興(xing) 趣,梅曼的工作並沒有引起什麽(me) 反響。

當時梅曼也需要開始新的項目。會(hui) 議之後,梅曼說服公司的管理人員,利用公司內(nei) 部的科研經費開始激光的研製。盡管很晚加入到激光的競賽當中,但梅曼很幸運,他選用的增益材料是紅寶石。

紅寶石在MASER研究中已經比較常見,肖洛在貝爾實驗室也嚐試過紅寶石,但並沒有成功,一是由於(yu) 他用的紅寶石晶體(ti) 質量較差,二是他使用連續光作為(wei) 抽運光。經過計算,他發現如果用光去抽運具有三能級結構的紅寶石,需要極高的抽運能量才能實現粒子數反轉,而連續光抽運能量太高將導致晶體(ti) 無法及時散熱,最終因溫度過高而損壞。肖洛因此得出結論:用紅寶石做激光行不通。1958年起的兩(liang) 年內(nei) ,肖洛到處說紅寶石不能用來做激光的增益介質。由於(yu) 他已經被認為(wei) 是這個(ge) 領域的權威,大家都不再考慮紅寶石。

但是梅曼卻對此持懷疑態度。


獨辟蹊徑,力拔頭籌

回到休斯實驗室後,梅曼做了一些初步的實驗,更加堅定了自己的判斷,覺得紅寶石做激光增益介質可行。梅曼從(cong) 小喜歡做電子實驗,有工程師的頭腦,解決(jue) 問題的思路跟學院派的湯斯、肖洛以及貝爾實驗室的其他科學家不一樣,算是介於(yu) 古德和學院派之間。比起學院派,他思路更靈活實際,比起古德,他受的訓練更紮實,對光學更熟悉。他的關(guan) 鍵想法是,不一定非要用連續光來抽運紅寶石,換成脈衝(chong) 光能夠避免過熱問題。脈衝(chong) 光可以在短時間內(nei) 輸入非常高的能量,讓紅寶石晶體(ti) 實現粒子數反轉,從(cong) 而輸出激光,接下來抽運光消失,粒子數反轉解除,同時不會(hui) 積攢更多熱量。

這張圖片是梅曼設計的紅寶石激光器的結構圖,抽運源來自General Electric 公司(GE公司)的現成產(chan) 品。梅曼覺得螺旋形的抽運燈更好,這樣可以把充當增益介質的紅寶石棒插在螺旋形燈管的中間,在外麵再加一個(ge) 鍍銀的外套把所有的光都能反射回去,就可以保證燈泡發出的光全部聚焦到紅寶石晶體(ti) 上。同時,他在紅寶石晶體(ti) 的兩(liang) 側(ce) 分別鍍銀,在其中一邊開了一個(ge) 小孔,這樣光就可以部分透射,諧振腔就做好了。這樣一來,激光器的三個(ge) 元素都齊備了:螺旋形閃光燈為(wei) 抽運源,紅寶石晶體(ti) 為(wei) 增益介質,法布裏-珀羅腔為(wei) 諧振腔。

1960年5月16號下午,梅曼和自己的助手在實驗室裏增加氙抽運燈的電壓,從(cong) 幾百伏開始往上加,用示波器記錄紅色熒光隨時間的變化。開始時,抽運比較弱,粒子數反轉處在閾值之下,能產(chan) 生的都是熒光,因為(wei) 抽運光是個(ge) 脈衝(chong) ,脈衝(chong) 過去之後激光器馳豫,熒光慢慢消失。繼續增加電壓到粒子數反轉超過閾值時,開始出現受激輻射,示波器上出現尖峰。當電壓加到900多伏的時候,明顯可以看到一個(ge) 尖峰,此時他們(men) 知道自己真正做出了人類曆史上的第一束相幹光,第一台激光就此誕生。

誰想到梅曼的助手是色盲,眼睛看不到紅色,而第一台紅寶石激光器產(chan) 生的恰恰是紅光,因為(wei) 輸出激光實在太強,光束射到遠處的牆上產(chan) 生的散射光讓梅曼的助手在人生中第一次看到了紅色。


一波三折,終獲認可

1960年5月16日,梅曼從(cong) 世界上幾十個(ge) 研究組中脫穎而出,製成了人類曆史上第一台激光器,在這場激烈競爭(zheng) 中獲得勝利。但是他獲得大家承認的過程卻一波三折。首先,休斯實驗室管理層覺得激光並不重要,放棄申請專(zhuan) 利,導致後來有一場圍繞激光器專(zhuan) 利的持續二十年的官司。既然不能申請專(zhuan) 利,梅曼抓緊時間盡快發表自己的成果。他很快完成一篇文章,名為(wei) 《Optical MASER Action in Ruby》,於(yu) 6月22日投到了Physical Review Letters(以下簡稱PRL)上。

PRL剛創刊不久,主編為(wei) 著名物理學家古德施密特(Samuel Goudsmit)。梅曼對自己投到PRL上的文章很有信心,他覺得這篇文章可能會(hui) 送到湯斯或肖洛手裏評審,專(zhuan) 門把激光器叫“Optical MASER”,而不是采用古德的命名方式“Laser”,未曾想弄巧成拙。當時這個(ge) 主編審閱了大量有關(guan) MASER的文章,已經受夠了,決(jue) 定再也不接受這類論文。他認為(wei) 這種工作缺乏物理深度,應該投稿到另外一個(ge) 他創辦不久的雜誌——Journal of Applied Physics(JAP),《應用物理雜誌》。所以,古德施密特毫不留情地在6月24日拒掉了梅曼的文章。拒稿信非常簡短:這篇文章不適合PRL,應該投給那些更偏技術的期刊,也許那些讀者會(hui) 更喜歡你的工作。

梅曼的好朋友弗蘭(lan) 肯(Peter Franken,非線性光學的奠基人)與(yu) 古德施密特和梅曼私交都很好,專(zhuan) 門給這個(ge) 主編打電話抱怨,但還是無法讓古德施密特重新考慮這篇文章。古德施密特甚至寄了一封更為(wei) 正式的拒稿信給梅曼:PRL肯定不會(hui) 考慮已經拒過的文章,任何原因都不行!

梅曼隻好選擇其他期刊,他把文章改短到三百字左右,投到Nature。投PRL不中,投Nature卻是異常順利,文章於(yu) 1960年8月6日發表,隻有梅曼一個(ge) 作者。後來湯斯評價(jia) 這篇文章,認為(wei) 在Nature所有已經發表的文章中按每個(ge) 字計算,梅曼這篇文章是價(jia) 值最高的。

Nature是英國雜誌,由於(yu) 沒有互聯網,Nature在美國流傳(chuan) 並不廣泛,於(yu) 是梅曼又寫(xie) 了一篇更為(wei) 詳細的文章,按照PRL主編的建議,投到了Journal of Applied Physics。這個(ge) 雜誌很快接受了他的文章,但是稱要六個(ge) 月之後才能印發,這讓梅曼隱隱不安:其他研究組很有可能在六個(ge) 月之內(nei) 成功研製激光器,搶先發表文章。要知道梅曼做激光器一共花費幾千美元,而貝爾實驗室在激光方麵的研究已經投入了兩(liang) 百多萬(wan) 美元,梅曼的擔心不無道理。他感覺時間非常緊迫,似乎時時刻刻有可能被貝爾實驗室趕超。

如何向世界證明自己是第一個(ge) 製成激光器呢?梅曼和休斯公司采用了另外一種辦法——召開新聞發布會(hui) 。為(wei) 了引起廣泛的關(guan) 注,新聞發布會(hui) 選在紐約曼哈頓的Delmonico酒店。1960年7月7日,梅曼在Delmonico酒店向新聞媒體(ti) 展示了自己的激光,而且還把已經被JAP接受的文章預印本發給了在場的各位記者。令他震驚的是,一家英國不知名的期刊British Communications and Electronics兩(liang) 個(ge) 月之後給他發來了文章被發表的通知。原來該期刊的記者在參加發布會(hui) 時得到了預印本,覺得工作太漂亮了,竟然沒有經過梅曼的同意,直接在自己供職的雜誌上發表了。

毫無疑問,梅曼非常惱火,因為(wei) 他的文章已經被JAP接受,隻是還沒有印刷出來而已。而這個(ge) 在美國毫無名氣的破雜誌,竟然不通知他就搶先發表了!這對大家承認他的工作極為(wei) 不利。但他又無可奈何,出於(yu) 學術道德的考慮,他隻好聯係JAP撤稿。所以,我們(men) 今天看到,梅曼關(guan) 於(yu) 激光的文章,短的版本發表在Nature上,長的版本在英國的這個(ge) 不知名的小雜誌上。在梅曼的新聞發布會(hui) 後,貝爾實驗室重複了梅曼的工作,在PRL上搶發了一篇非常詳細的文章。在之後相當長一段時間內(nei) ,貝爾實驗室一直聲稱他們(men) 最早做出了激光。隨著時間的推移,曆史的塵埃落去,梅曼才被公認為(wei) 是製成激光器的第一人。


尾聲

在那場新聞發布會(hui) 上,有記者詢問激光有什麽(me) 用處。梅曼給出了5方麵的建議:

- 用來放大光,比如做高功率激光器的時候,都是用光放大器對比較弱的光進行放大;

- 可以用激光去研究物質(後來發展為(wei) 激光光譜學);

- 用高功率激光光束做空間通訊;

- 用於(yu) 增加通訊的信道數量(這就是後來出現的光纖通訊);

- 把光束聚焦,產(chan) 生超高的光強,用於(yu) 工業(ye) 上切割或焊接材料,或是在醫學上進行手術等等。

梅曼這些建議日後一一應驗,說明以他為(wei) 代表的第一代激光研究者對激光的潛在能力有著清晰的認識和遠見。

梅曼贏得研製激光器這場競賽,僅(jin) 用了9個(ge) 月的時間和幾千美元的經費,原因何在?梅曼後來寫(xie) 了一本書(shu) ——The Laser Odyssey。在書(shu) 中,他給出了自己的答案。

首先,他非常努力和專(zhuan) 注,有韌性並且百折不撓。第二,以湯斯和肖洛為(wei) 代表的學院派低估了像梅曼和古德這樣的非學院派,覺得這些人不太可能做出什麽(me) 重要的貢獻。第三,梅曼對自己所做事情的重要性有明確的認知,知道激光是前無古人的發明,具有重大深遠的影響,值得自己全身心投入。第四,梅曼覺得自己非常冷靜和仔細。他既有工程背景,又受過良好的物理訓練,能夠一步一步解決(jue) 問題,而且解決(jue) 問題的思路與(yu) 學院派完全不同。他的激光器體(ti) 積很小,設計非常巧妙,大部分器件和技術都比較成熟。而其他課題組的方案往往需要巨大而且昂貴的儀(yi) 器設備,很多部件也需要自己去研發,係統非常複雜,導致工作進展緩慢。這當然隻是梅曼自己的總結,讀者可能會(hui) 給出不同的答案。

六十年後的今天,激光已經無處不在,深深地改變了我們(men) 的世界。回顧激光發明的這段曲折跌宕的曆程,相信每個(ge) 讀者都會(hui) 在對這些先賢們(men) 滿懷敬意的同時,受到智慧的啟迪。

作者簡介:

常國慶,中國科學院物理研究所 特聘研究員,長期從(cong) 事超快激光物理、高功率飛秒激光技術、飛秒光學頻率梳等領域的研究。

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