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移除书签（二）激光及相关光学学科的发展
- 微波激射器与量子电子学的诞生
1917 年，爱因斯坦在研究黑体辐射对气体平衡计算时，发现了辐射具有两种形式，自发辐射和受激辐射，从而提出了受激辐射的理论。爱因斯坦的这一设想，得到了曾任加州理工学院研究生院院长的美国物理学家托尔曼（Tolman Richard Chace1881～1948）最早的呼应。托尔曼曾发表数篇论文讨论了粒子数反转放大特性。1928 年，德国的兰登伯（Landenberg， R．W．1885～1952）在研究氖气色散现象时，发现激励电流超过一定值时， 高能级氖分子布居数随电流增大而加多，结果使反常色散效应增强。这个实验实际上间接证实了受激辐射的存在，也直接给出了受激辐射的发生条件是实现粒子数反转。粒子数反转这一思想至关重要，然而在当时人们的心目中，认为这是不可思议的。因为在热平衡条件下，低能级粒子数总要比高能级粒子数多，实现粒子数反转就等于要破坏热平衡，这一点与人们的想法相违，粒子数反转思想未能引起更多人的注意。
本世纪 40 年代，美国哥伦比亚大学以 J．特里奇卡（J．Trischka） 为首的研究组曾一度致力于研究无线电波的受激辐射。然而，对于他们的研究结果，关心的人并不多。一方面由于战争，许多与军事无关的科研项目被搁置，另一方面，在兼跨物理学与工程学两个领域的量子电子学中， 物理研究与工程技术严重脱节。量子电子学的理论工作者侧重于光的波动性与量子性研究，对电子工程技术的相关内容知之甚少；而电子工程技术人员又偏重工程技术问题，对量子电子学的重要概念及研究方法既不关心，也不感兴趣。因此，量子电子学在当时不仅没有形成整体性研究的态势，更没有一个较完整而系统的理论。加上当时的科学技术水平，还没有形成对光的相干性与单色性的迫切要求，致使一些曾提前注意到受激辐射和提出粒子反转放大思想的人，未能在它们的实用性研究上继续向前迈进一步。由于战争的促动，二战后微波技术日臻完善，它已广泛地应用于军事和各个科学领域，其中微波波谱学的发展尤其令人瞩目。当时，微波用于原子、分子和原子核的精细和超精细结构方面，已经取得了一系列的成果。1951 年，美国物理学家珀塞尔（Purcell，Edwaed Mills 1912～）用微波波谱学的方法，测定了核磁矩。为增强微波信号，他应用了突然倒转场的方法。当外磁场极性改变比核自旋的响应快时，在氟化锂晶体中实现了核自旋体的反转分布，此时，他意外地观察到了频率为 50kHz 的受激辐射。应用玻尔兹曼分布规律，珀塞耳对该现象做出了解释。根据玻尔兹曼分布率，高与低能级的粒子布居数分别为 N2 和 N1 时，E2＞E1，其粒子分布率为
N 2 = e N1
- E2 - E1
Kt
，这表明，要实现粒子数N 2 ＞N 1，只能T＜0。
根据这一结果，珀塞尔首先提出“负温度”概念，并把粒子数反转称为“负温度”状态。粒子数反转状态的实现不仅表明“负温度”并非不可逾越，而且使人们对于玻尔兹曼分布有了更全面也更深刻的认识。
与此同时，朝向同一目标的另一番工作也在另外一个领域中进行着。由于雷达技术发展的需要，人们正在研制一种高强度的微波器件。二战期
间，美国物理学家汤斯（Townes，CharlesHard 1915～）曾在贝尔实验室从事雷达导航系统研究。战后，他在哥伦比亚大学物理系执教期间，应军方邀请，开始致力于缩短雷达使用波长的研究。但是这一课题进行极不顺利，他屡遭失败，几度陷入困境。1951 年春，他到华盛顿参加一个工作会议。与会期间的一天早晨，正当他坐在华盛顿市一个公园的长凳上等待饭店开门时，脑子里突然闪现出来一个想法，这就是利用分子受激发射的方式代替电子线路放大，实现微波放大的设想。汤斯头脑中所闪现的这个“小火花”，使他激动不已，很短的时间内，一个实验的方案被设想了出来。他打算用电流加热的方式，把能量泵入氨分子中，使它们处于受激状态。当受激分子恰好处于与氨分子固有频率相同的微波波束之中时，微波波束与氨分子通过反复作用，使泵入氨分子中的能量传递到微波波束之中，原来入射的弱波束就有可能在短时间内，以雪崩方式促发为强微波波束，汤斯把这一设想的要点就记在了一个信封的背面上。
从 1951 年年底，在美国海军和陆军的资助下，汤斯和他的两个学生戈
登、蔡格尔一起，经过了两年的研究，终于在 1954 年研制成功波长为1.25cm 的氨分子振荡器，他们把它称为受激辐射微波放大器，按其字母缩写为MASER，简称为脉泽。脉泽具有稳定的振动频率，可以用它制成用于计时的“原子钟”。1960 年，利用脉泽微波的相干性，又以 10-12 的相对误差， 精确地证实了 70 多年前迈克耳孙-莫雷实验的结果。受到美国物理学家肖克莱（Shockley，William Bradford 1910～）所研制成功的固体整流与放大器件的启发，在 50 年代后期，汤斯与其它科学家一起，又研制成功固体脉泽。1960 年，这种固体脉泽首次被用到了回声Ⅰ号卫星，它成功地放大了从卫星发向金星，又从金星反射回卫星的几乎消失殆尽的微弱信号。脉泽的研制成功，在理论研究上的意义也相当重要。在脉泽问世前，电气工程师们只是关心如何放大，而物理学家们又只是关注了相干性，正是汤斯把这两方面结合在一起，这一结合不仅促成了脉泽的问世，也把量子力学的概念与方法成功地引入到电子技术领域，为量子电子学的建立与发展奠定了基础。
1955 年 ， 前 苏 联 物 理 学 家 巴 索 夫 （ Basov ， Nikolai Gennadievich1922 ～）和普罗霍洛夫 （ Prokchorov ， Alexander Mikhailovich 1916～）提出了用三级能的方法实现粒子数反转。就这样， 在 1958 年，以量子电子学的研究为基础，汤斯、肖洛和巴索夫、普罗霍洛夫等人已经分别提出了把量子放大技术用于毫米波、亚毫米波及可见光波段的可能性，这一研究为激光的诞生铺平了道路。由于在脉泽、激光及量子电子学基础理论方面的工作，巴索夫、普罗霍洛夫与汤斯共同分享了1964 年诺贝尔物理学奖。
