希望和绝望之间

奥地利的音乐神童莫扎特曾有一句著名的哲言：“永远在希望和绝望之间”。从宗教到科学的转变，从现象到本质的飞跃，都经历了这样一个反复的过程。莫扎特从自然乐音的组合和创造中激发出来的灵感，反映了人类客观认识步履的艰难，这也是自然科学发展过程的规律性写照。

从光的认识到激光的发现，以及与激光技术有关的各种科学研究和观点的诞生，也经历了受这种规律支配的过程。许多杰出的科学家为此而付出了高昂的精神代价。许多与光、激光有关的科学研究和创造及应用发明从 20 世纪开始竞相媲美在科学的舞台上。

如果说从本世纪开始，把激光技术及与其有关的科学研究和观点罗列起来，它的历史大约可以划分为三个阶段：第一阶段是人们在理论上寻求突破，在实验室中观察各种现象，突出了对光和光的应用的认识飞跃。第二阶段是人们从实际出发，提出了激光产生的可能性并动手研制各种激光器。第三阶段则是各种激光器的研制和问世，激光技术迅速走向应用并逐渐成熟的阶段。

当伦琴发现阴极射线在光电管中产生 X 射线时，普朗克提出了量子概念并被爱因斯坦引入光学现象中时，有另外一名德国科学家也正在研究阳极射线。这种从阳极射向阴极的离子所产生的光学效应，从实验的角度为爱因斯坦光量子理论的正确性提供了有力的证明。尽管这位叫斯塔克的科学家是一个狭隘的民族主义者，人格并不高尚，科技道德也很低劣，甚至甘愿充当德国纳粹的走卒，并最终沦落到反科学、反进步的极端，但他早年所提出的这个阴极射线的斯坦克效应，仍旧对人类科学认识的进步起到了积极的作用。这使他在 1919 年获得了诺贝尔物理学奖。

激光是传递信息的理想载体，光通信的概念对于大多数现代人来说并不陌生。实际上，人们对光传递的现象在本世纪初以前就有了初步的认识。19 世纪时，在擅长饮酒的西欧，酿酒工人从酒桶中流出来的酒中，观察到了光线在一定的介质中可以弯曲地、全反射地向前传输。但是这种认识是粗浅的，直到 20 世纪初，当苏联人兹渥里金把光电显像管变为现实时，科学家们才刚刚形成了光在介质中传播的观点。荷兰的物理化学家、1936 年的诺贝尔化学奖获得者彼得·J·德拜一生所获得的科学成就实在是太多了，他那无穷尽的追求欲望使他涉猎研究的领域实在是太广了。他一生的主要成就并不在于光学研究，但它实实在在地在 1910 年就开始认真研究光在一定介质中的传播并提出了相应的观点，1927 年，电视机的发明者、英国科学家贝尔德和汉塞尔提出了用导光的纤维传递光的信息，实现光学图像传输的设想。这便是今天光导纤维的雏形。当今天人们把激光用于光纤的通讯时，会发现他们当初的设想对今天开拓激光应用的领域所存在的巨大价值。

印度的物理学家喇曼在 1928 年发现了光在一定介质中的散射现象，提出

了喇曼效应，并获得了 1930 年的诺贝尔物理学奖。这种喇曼现象使用最普通的物理实验手段就可以观察到。也许喇曼效应的提出和激光的产生并无直接的联系，但是把激光与喇曼效应有机地结合在一起，却是现代科学研究和技术应用的重要手段和工具。激光喇曼光谱学正成为现代光谱学发展的一个重要方面，在海洋、航天、地矿、生物工程等方面的科学研究中发挥了极其巨大的作用，为研究物质内部微观世界提供了更高分辨率的光谱方法。

出生在匈牙利的英国科学家丹尼斯·盖博一生取得了 100 多项发明的专

利。他发明的全息照相术使三维图像的显示成为可能。在 60 年代激光产生以后，美国的科学工作者用激光使这个全息照相术从质量、效果到逼真程度都得到了极大的提高。盖博把光的应用扩展到了三维成像的全息术阶段，而激光对这种应用更是锦上添花。

正如我们前面所讲的，爱因斯坦的光量子概念和受激辐射的理论为激光的产生奠定了理论基础，使人们寻找这种更亮、更强、更集中的光成为可能。然而激光的产生却是从微波的研究中偶尔受到启示的。如果我们的思维更夸张一点的话，把微波看成是比普通光波长稍长、频率稍低的另一种（不可见）光时，那么，产生更强微波的微波激射器和产生更强光的激光激射器在本质上便是一致的了，只不过是产生的光（电磁波）频率、波长不一罢了。激光的研究正是在这种过程中进行的。从另一种意义上讲，激光器是微波激射器的附产品，都是受激辐射理论的产物。

第二次世界大战爆发以后，全世界注目的焦点是战争的进展和未来的和平。科学家的研究的注意力正逐渐集中到军事应用上来。当奥本海默、费米等科学家正聚精会神地研制原子弹时，还有一些科学家正在研究军事应用上不可缺少的技术——微波通信技术，并把这种兴趣一直持续到战后。美国的汤斯、肖洛便是这样一些科学家。而参加过苏联卫国战争的科学家巴索夫、普罗霍罗夫也沉浸在这样一个诱人的追求中。从 50 年代初开始，汤斯、肖洛利用受激辐射的原理，获得了一种强度更大的微波束，并从中得到启发，提出了利用相同的原理，可以获得强度更大的光束。这就是激光。

几乎是在同一时期，远在莫斯科的巴索夫和普罗霍罗夫也独立地提出了相同的观点。汤斯、肖洛最初提出的微波激射器是有缺陷的。因为在当时，微波激射器每发射一次微波，必须停歇下来积蓄能量为下一次发射作准备，因此它的微波发射是不连续的。1956 年，美国的瑞典籍科学家布洛姆伯根发展了汤斯、肖洛的微波激射器设想，提出了能连续发射的三重态微波激射原理。至此，激光已经隐隐闪现耀眼的光芒。

一位在美国休斯公司研究所工作的年轻人梅曼，从这些科学家的研究中受到后发。他把汤斯预言的激光原理和布洛姆伯根提出的连续发射的微波激射原理结合起来，去实现产生激光的目标。他用红宝石晶体作为工作物质，用脉冲氙灯作为泵浦源，通过在红宝石两端镀上银膜构成谐振腔，从而做成了世界上第一台红宝石激光器，并让其射出一道红光，这就是世界上第一道激光。他的成果，使爱因斯坦的受激辐射理论再一次得到验证，让汤斯、巴索夫的设想变为现实。

早在 50 年代，科学家们就预言了各种气体、固体、液体、半导体激光器。第一台红宝石激光器的产生，使全世界掀起了激光研究的热潮，美国、日本、原苏联在这个方面都保持了很高的研究水平和领先地位，这也使得类型更多，功能更齐全的各种激光器研究成功。1961 年，美国先后研制出 He—Ne 气体激光器，钕玻璃激光器、氟化钙激光器和砷化钙半导体激光器。随后，铯激光器、氮分子激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器及染料激光器竞相媲美，相继问世。我国在 1961 年也由长春光学精密机械研究所制成了红宝石激光器。70 年代后，各种激光器逐渐走向成熟走向市场，为不同的科学研究和应用提供帮助，各种新一代的激光器也相继研制成功。1976 年，美国斯坦福大学经过四年的研究，创造了世界上第一台自由电子激光器。这种以自

由电子为工作物质的激光器，利用了电子受力产生加速度发射光子和光的康普顿散射效应，排除了粒子数反转的激光产生前提，从而使激光的发展又向前迈进了一步。

激光器研究成功后，它立刻走出了实验室，直接面向了市场应用，成为为科研和生产服务的一种常规工具和仪器。

1960 年制成激光器后，翌年就有一名叫扎雷特的医生利用激光进行剥离视网膜手术获得了成功。这个在敏感微妙的神经系统大动干戈的行为极大地鼓舞了医生和科学家的信心。1963 年激光技术进入了外科手术领域，70 年代后，被广泛用于各种外科内脏手术、耳科、牙科和妇科的诊断和治疗，直至1977 年日本用激光进行脑手术和美国用激光移植皮肤手术获得成功。80 年代激光手术刀装置在全世界得到普及。这标志着激光在医学上的应用已经走向成熟。

癌症是令人谈及色变的魔鬼。1963 年开始，科学家们便对激光治疗癌症产生了兴趣。1965 年美国国家癌症研究中心通过对一群带有肝癌细胞的猴子进行试验，使这一研究有了突破。他们用激光照射这些猴子，竟奇迹般的发现猴子的癌细胞遭到激光辐射的破坏，猴子健康地成活下来。这一试验为寻找人类攻克癌症的方法带来了希望的曙光。尽管医学界至今尚未寻找到治疗癌症十分有效的方法，但可以肯定，利用激光去实现这一目标将是现代医学研究最有效途径和手段之一。

1926 年，阿尔伯特·迈克耳逊用旋转棱镜测出了光速 299796 公里/秒。激光器诞生后一群美国科学工作者用 He—Ne 激光器测出光速 299792.4562 公里/秒。国际度量衡机构在 1972 年建议了光速的数值要以 He—Ne 激光器测得的结果为标准，并宣布光速得的标准值为 299792.458 公里/秒。而用二氧

化碳激光器测得的光速 299792.459 公里/秒更加接近这一数值。这使得激光技术成为标准计量的权威手段。目前国际度量衡机构已把光速测得的长度作为“米”的长度基准。1969 年，美国阿波罗 11 号宇宙飞船首次登月成功，在月球上放置了一块反射镜，然后探测由地球上发送的、由月球上反射镜反射回来的激光束，从而使激光测量地球与月球的距离获得成功，同时也可以长期探测月球轨道的变化和地壳的移动，为测量距离找到了一种更为精确的方法。

1940 年，美国的科学家在制造原子弹时，面临着两种可供选择方法：分离铀同位素，或者使用足够量的钚组成物。当时分离铀同位素所采用的是用质谱仪分离和气体扩散的方法。这种方法在当时是极为困难、代价昂贵的。激光在化学科学中的应用，使得化学同位素分离手段得到了巨大的变革。从1966 年开始，一些科学家进行了激光分离同位素的试验，到 1970 年，美国人阿索尼用两台染料激光器分离了 Ba133 同位素。1973 年以色列人尤里用两台染料激光器和一台二氧化碳激光器分离了 U235 同位素，达到了 24 小时生产7 克，纯度 60％的指标，在美国也有人利用激光成功地分离了 U235 同位素。

1974 年，在美国洛斯·阿拉莫斯国家科学试验基地公布用激光分离化学同位素获得成功。这一分离方法，分离系数高，成本低，为今后利用核能，发展核工业、核军事提供了有效手段。

1962 年，著名的贝尔试验室首次进行了大气激光通信的实验，标志着激

光技术进入了现代化生活的应用领域。到 60 年代末和 70 年代初日本和前苏联都进行了同样的尝试，使激光通过大气层传播声音、图像和文字成为可能。

由于大气光通信存在的致命弱点，科学家们开始寻求一种导光材料，并以其为介质实现光的“有线”方式通讯。这也是 1927 年贝尔德和汉赛尔曾经提出过的光导纤维设想。

近 40 年过后，英国、美国都有人开始研究一种新的信息传输介质，其主要对象就是经过提纯后的 SiO2 拉制而成的低损耗光纤。1970 年，美国康林公司研制成功了 20dB/公里损耗的 SiO2 光导纤维；1974 年，美国贝尔试验室把光导纤维的损耗降低到 4dB/公里；70 年代末，SiO2 光纤的损耗降到了0.5dB/公里以下；传输红外光的演化铊和碘溴化铊光纤损耗达到了 0.01dB/公里。这些光导纤维的发现把光导纤维通信引进了我们生活。1976 年，贝尔实验室铺设了 11 公里长的光纤，成功的传输了 5 万路电话；1978 年日本奈良县开

播了有线光纤通信网络，为 400 多用户提供了电视节目、电话、教育、学习、购物和储蓄等业务服务；1984 年，美国建成了波士顿一华盛顿 900 公里长的光纤通信网，标志着光纤通信开始走出试验阶段，正式进入了商业化实用化的发展时期。

1969 年，美国 IBM 公司确定了集成光学的研究课题。1975 年美国科学家雷恩哈特领导的研究小组研制成功了集成光路。这一成果尽管离实用化阶段还有一定距离，但它为今后计算机的更新换代，为研制超容量、超速度的光学计算机作出了关键性的突破，为加速光电子技术时代的到来起到了积极的作用。

从 70 年代起，美国出于军事战略的需要，对空间激光通信予以了特别的重视。他们着手试验二氧化碳激光空间通信和空对空、空对地的激光卫星通信，并发射 405B 激光通信卫星成功，以期在卫星侦察、导弹发射等方面拥有高科技的优势。在此以前，美国已把激光用于了军事的其他方面。早在 60 年代，美国就成功地研制了激光制导炸弹并用于了越南战场，极大地提高了轰炸的命中率；随后，又进行了用激光直接攻击目标、拦截导弹的一系列试验。目前，世界各国在改进军事装备方面，普遍引入了激光技术。激光在坦克测距、雷达扫描、潜艇测量海底地形、军事指挥系统等方面得到了广泛应用。从八十年代到今天，世界上所发生的局部战争和冲突都无一例外地使用了最现代的激光技术，为世人上演了一场“明天的战争”。

在激光研究发展史上还有一书的事件，便是激光全息术的产生，英国的科学家盖博提出了全息照相的原理以后，美国学者利斯和乌帕特尼克斯用激光成功地获得了一张三维空间的全息照片，从而确立了激光全息摄影术。从此激光全息摄影的技术广泛地用于医学、工业和科学研究。

纵观激光发展历史，激光技术的产生，并不是偶然的。早在 20 世纪初，

基础理论的发展就已为它的产生埋下了因果的种子。爱因斯坦先生在 1917 年写出他那著名的受激辐射理论论文时，他也许就已想到他正在为后来人们的发明创造准备了理论工具。还有不止一个国家的科学家、学者对激光器的制造、激光的产生提出了许多预言。尽管激光器从产生开始就进入了实用阶段并受到了社会的欢迎，但它的发展仍旧是很缓慢的。这充分说明了激光技术虽然前景光明，但存在的困难也不少，激光技术还有待于明天更大的提高。