向更短波长进发——激光器的问世

氨分子振荡器与固体微波激射器的研制成功及广泛的应用引起了巨大的反响，特别引起了军事部门的兴趣。当许多人醉心于微波激射器的研究时，汤斯已经朝向更短波长的目标进发了。长期从事军事研究的汤斯敏锐地看到，缩短波长意味着测量目标精度的提高、分辨率的增强以及信息传输量的增大，汤斯早已注意到这一研究的价值。1958 年，在发表关于红外和可见光激光论文的同时，汤斯就思考着激光在军事应用上的潜在可能性。他在贝尔实验室曾以顾问的身份，向当时国防分析研究所及高级计划

局某项计划负责人惠勒（Wheeler）提出一份书面报告。在报告中他预言， 激光将对国防作出重要的贡献，肯定会受到高级研究计划局的特别关注。果然，报告提出的第二年，高级研究计划局以 100 万美元资助了技术研究集团的激光研制计划①。高级研究计划局所关注的不仅是把激光用于雷达和通讯，还想用于防御前苏联导弹的威胁。第一台激光器也正是在美国工业界的一个国防机构——休斯飞机制造公司的支持下研制成功的。

在向更短波长进发的过程中，汤斯的第一个目标是由毫米波进入亚毫米波段。然而，在一开始他就遇到了麻烦。首先，要使振荡腔的长度与波长相当，制造 1 厘米以下的振荡腔非常困难；其次，由于振荡腔的缩小， 内含物质少又严重地限制了放大性能。在克服这一困难的过程中，汤斯发现，若把波长缩短到红外或可见光区域，腔体尺寸带来的杂散振荡反倒有可能随之减小，这使他倍受鼓舞。此时，汤斯的姻弟——肖洛（Schawlow， Arthur L ．1921～）从光学中的 F-P*仪得到启发，提出一个设想，即用一对反射镜代替封闭的谐振腔，以控制不必要的振荡模式。1958 年，肖洛与汤斯联名在《物理评论》上发表了重要论文《红外与光激射器》。这篇论文不仅给出了受激辐射光产生的必要条件，而且还详细地论述了光激射器的若干理论问题，论证了 F-P*仪代替谐振腔减少过剩波型及自激辐射的机制，还提出了以钾蒸气为工作物质、钾灯为泵浦源的红外激射器的设计方案。肖洛与汤斯的这一设想，使许多人纷纷加入激射器的研制中。人们意识到，谐振腔的难题解决之后，重要的问题是如何实现反转分布，此外， 选择工作物质与泵浦源也成为重要的问题。汤斯认为钾蒸气实现的可能性最大。早在提出设计方案前，他就已经着手试验了。肖洛则转向红宝石研究。前苏联列别捷夫物理研究所的巴索夫则提出以半导体材料为工作物质的方案。除了光泵法以外，贝尔实验室的贾万（Javan，A．1926～）提出放电法连续运转的氦氖激光器方案。1959 年 9 月在纽约举行的首届量子电子学会议上，仅提交的激光器设计方案就有数十份，设计者们都在加快步伐，一场激烈的竞争在激烈地展开着。首先摘取激光器发明桂冠的是休斯飞机公司所属研究室的美国物理学家梅曼（Maiman，Theodore Harold 1927～）。梅曼的成功不是偶然的，他是电气工程师之子，靠修理电器半工半读读完大学。1949 年从科罗拉多大学毕业后，考入斯坦福大学攻读研究生，1955 年获得博士学位。他的导师兰姆（Lamb，Willis Eu- genen Jr．1913～）曾因发现著名的氢原子谱线兰姆位移而获得 1955 年诺贝尔物理奖。在梅曼随导师一起研究兰姆位移过程中，梅曼曾提出利用反转分布使氢原子的不同能态间产生受激辐射的设想，并以这一设想展开了他的博士论文《利用波和光的双共振研究氢原子的激发态》。1956 年，梅曼应邀到休斯飞机公司的一个研究所工作，致力于红宝石微波放大器的研究，1959年 8 月转而研制激光器。由于他对红宝石的经验，经过一番选择后，他选

用了掺钕红宝石晶体作为工作物质，以脉冲氙灯作为光泵，终于在 1960

年 5 月获得了成功。梅曼等人研制成功的第一台激光器的工作物质是长2cm、直径 1cm 的掺钕红宝石棒，它的两端被磨平后镀银，其中一个镀银面中心有一个直径 1mm 的透光孔，泵浦光源为螺旋形氙灯①。1961 年夏，中国科学院长春光学精密机械研究所也研制成功了红宝石激光器，从掺杂晶体的生长、冷光学加工、金属镀膜，到光学质量的检验，无一不是研究人员亲自动手进行的，泵浦氙灯也是我国自己制造并将螺旋管改为直管型，

成为至今流行的结构。

在梅曼获得成功以后，一系列不同基质晶体的掺稀土元素的固体激光器相继运转，尤其是波长 1.06μm 的掺钕钇铝石榴石激光器和掺钕硅酸盐玻璃激光器得到了广泛的应用。气体激光器已能在紫外到红外的广阔波段内工作，从原子、分子、离子气体激光器到金属蒸气和其它惰性气体激光器已达数十种之多，其中二氧化碳激光器具有强功率输出，已成功地用于金属加工、激光化学、医疗等领域。以染料激光器为主的液体激光器已在数百种有机染料中获得激光输出，由于输出波长能在近紫外到近红外的广阔谱段内调谐，在光谱学、激光化学领域中有广泛的应用。半导体激光器有体积小、重量轻等特点，在光纤通讯中作为光源有广阔的应用前景。激光技术的最新领域是自由电子激光与 X 射线激光器的研制，它们已成为与高能物理息息相关的交叉技术领域。