§12.8 氦氖激光器的诞生

氦氖激光器是这二三十年中广泛使用的一种类型。它是紧接着固体激光器出现的一种以气体为工作介质的激光器。它的诞生首先应归功于多年对气体能级进行测试分析的实验和理论工作者。到 60 年代，所有这些稀有气体都已经被光谱学家作了详细研究。

不过，要应用到激光领域，还需要这个领域的专家进行有目的的探索。

又是汤斯的学派开创了这一事业。他的另一名研究生，来自伊朗的贾万 1954 年以微波波谱学的研究获博士学位后，留在哥伦比亚大学任教。当贾万后来被问及为何涉足于激光时，他答道①：

“当我还是孩提时，血液中就有了科学。我迷恋于光和辐射过程， 所以就从事物理学。我在哥伦比亚大学跟汤斯做微波波谱学的博士论 文，虽然没有直接参加微波激射器的工作，但我亲眼看到整个领域的进展。那些岁月在哥伦比亚确实是激动人心的，查理（指汤斯）、拉比、兰姆发现了脉塞、电子反常 g 因子和兰姆位移。”

贾万接着说他后来也卷进到脉塞的研究中，甚至独立地想到了三能级系统的工作原理，不过由于别的原因直到 1957 年才发表。本来，汤斯要贾万研究亚毫米波，但贾万希望直接从事光波领域，他有把握在这个领域内获得增益。他并不知道汤斯正在跟肖洛合作研究光学激射器，更

① 转引自 Lasers ＆ Applications,LaserPioneerInterviews,HighTech.,1985p.115.

没有从汤斯那里得知他们的想法。甚至肖洛和汤斯合写的那篇著名论文他也没有读过。他走的是自己的路，按自己的想法进行计算，设计自己的抽运系统。关于这件事，贾万后来说：“我跟查理有亲密联系，但我确实非常感激他没有把自己关于激光器的想法告诉我，这样就不会扰乱我的思想，我就可以发展自己的想法。”贾万的基本思路就是利用气体放电来实现粒子数反转，他认为这要比光泵方法更有效，因为这是气体而不是固体。

利用气体放电来实现粒子数反转这一思想也不是贾万首先提出的。前面讲过，苏联的法布里坎特早在 1940 年就提过这类设想。1950 年兰姆明确提出，气体放电中的电子碰撞可以改变粒子的集居数。1959 年，贝尔实验室的英国学者桑德尔斯(J.H.Sanders)也和贾万同时发表了用电子碰撞激发的理论。不过，贾万考虑得更深入更具体，他在分析了各种碰撞情况后，提出可以由两种原子的混合气体来实现粒子数反转，他写道①：

“考虑原子的一个长寿命的能态（如亚稳态），这一能态在一般的电子密度情况下有相当多的粒子。

“如果第二种原子的激发态正好与第一种原子的亚稳态在能量上非常接近，则可预期非弹性碰撞会有很大的截面，从而导致亚稳态向另一原子的激发态的激发转移，或作相反的转移。

“由于碰撞过程的非浸渐性(non−adiabatic)，显著偏离第一种原子亚稳态的第二种原子各能态，不会有明显的激发转移截面”。

就在这篇论文中，贾万提出了氪−汞和氦−氖两种方案。

关于贾万的创造活动，需要补充两点，说明他在独立思考的基础上， 还是注意吸取他人经验的。一是他在论文中引述了拉登堡 1933 年的工 作，可见他对过去的研究成果是熟悉的。第二点是他原来并没有想到可以利用法布里−珀罗反射镜片。只是有一天偶然和肖洛的谈话得知这个方法，很受启发，在这以后他才进行气体激光器的具体设计。贾万首选氦氖气体作为工作介质是一极为成功的选择。当人们问他在许多早期的激光器中，其中包括气体的和固体的，都已相继销声匿迹，而他选择的氦氖激光器却仍葆其青春，他为什么能够这么早就作出成功的选择时，他回答说：

“这并非偶然⋯⋯我作了仔细选择，⋯⋯氦氖是我能找到的最清洁的系统之一。”

贾万初创时走过了一段艰辛的历程，当时他为了调整两块平面镜的取向，竟花费了差不多 6—8 个月的时间。

贾万最初得到的激光束是红外谱线 1.15 微米。氖有许多谱线，后来

① A.Javan. Phys.Rev.Lett.,3(1959)p．87

通用的是 6328Å。为什么贾万不选 6328Å，反而选 1.15 微米呢？这也是贾万高明的一着。他根据计算，了解到 6328Å 的增益比较低，所以宁可选更有把握的 1.15 微米。如果一上来就取红线 6328Å，肯定会落空的。贾万和他的合作者在直径 1.5 厘米，长 80 厘米的石英管两端贴有蒸

镀 13 层介质膜的镜片，放在放电管中，用无线电频率进行激发。在 1960

年 12 月 12 日下午 4 点 20 分，终于获得了红外辐射。

1962 年，贾万转到麻省理工学院(MIT)任教。实验工作由他的同事怀特(A.D.White)和里顿(Rigden)继续进行。他们获得了 6328Å 的激光束。这时激光器的调整已积累了丰富经验。图 12−6 是经里格罗德(W.W.Rigrod)等人改进的氦氖激光器。他们把反射镜从放电管内部移到外部，避免了复杂的工艺；窗口做成按布鲁斯特角固定，再把反射镜做成半径相等的共焦凹面镜。激光管的设计日臻完善。

■图 12−6 经里格罗德等人改进的氦氖激光器

氦氖激光器在两方面有里程碑意义。一方面它第一次实现了连续 性。固体激光器都是脉冲型的，不适于一般使用。连续激光束有很多好处，为应用开辟了广阔的道路。另一方面证明了可以用放电方法产生激光，只要在两种不同的工作介质中选定适当的能级，就有可能实现光的放大，为激光器的发展展示了多种渠道的可能性。

在激光的发展史中有一个小插曲，是古尔德(G.Gould)提出的发明权问题。当汤斯和肖洛在构思光学激光器之际，古尔德正在哥伦比亚大学当博士研究生，在库什(P.Kusch)教授手下做铊原子束共振实验。起初他用热学或放电方法激发铊原子，已经搞了三四年了，一直未见成效。这时，拉比教授从国外开会回来，带回了光泵（即光抽运）方法的新闻， 建议古尔德试试。古尔德经过试验，果然灵验，有 5%的原子进入亚稳态， 这促使他对光泵方法发生了浓厚兴趣。

就在这时，古尔德产生了用光泵方法实现粒子数反转的想法，并且设计了用法布里−珀罗干涉仪镜片作成的谐振腔。他的想法和汤斯−肖洛可以说是异曲同工。他在笔记本上写下了自己的想法和计算，并为光学激射器起了一个名字叫 LASER，取自英文“LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation”（靠辐射受激发射的光放大）的头几个字母。1957 年 10 月，他在家里接到汤斯的电话，询问有关铊灯的知识，从而得知汤斯正在进行类似的工作，预感到将会发生一场发明权之争。于是他连忙请一位公证人将自己的笔记签封，以备申辩。这个笔记本的前 9 页载有古尔德的初步设计和计算，还包括有 LASER 的定义。

然而，由于某些原因，古尔德没有及时申请专利，他的导师库什又不同意他以激光代替原来的题目：《原子束共振》。他愤而放弃博士学位，离开哥伦比亚，转入一家名叫 TRG 的公司任职。这家公司欣赏他的激光研究计划，以“激光用于雷达，测距和通讯系统”为题向美国国防

部的高级研究规划局申请 30 万元经费，而这个局以为由此可能导致“死

光”的实现，又加码到 100 万美元。这件事本来对激光技术会有促进作用，可是由于国防保密的人事审查，古尔德因其夫人有参加过马克思小组的嫌疑而被排除在项目之外，只当挂名的顾问。这家公司虽然在 1961 年做出了光泵铯激光器，但没有什么实用价值。

古尔德心中不平，多次向专利局申请专利，进行诉讼，一直被推迟判决。1977—1979 年才取得两个具体项目的专利。古尔德坚持上诉，直到 1987 年 11 月 4 日才得到胜诉，但时光已经过去快三十年。在这中间汤斯和肖洛都因激光的研究先后获得了诺贝尔物理奖。

科技史上同时而又独立地作出发现或发明的事例不胜枚举，激光的发展史中也不乏其例。这些事例正说明了，激光的出现是科学技术发展的产物，是历史的必然。