激光发明的历程与启示

1960年4月,休斯实验室从40公里以外的Culver City搬到了Malibu,启用了一座崭新的研究大楼。这个大楼非常漂亮,有着科研工作者最理想的工作环境,梅曼从自己的办公室可以眺望太平洋。在搬到这里一个月之后,也就是1960年5月16日,梅曼成功研制了人类历史上第一台激光器。

梅曼(1927-2007)的全名是Theodore Maiman。他的父亲是位工程师,梅曼从小跟父亲学习电子工程方面的知识。1949年,梅曼在科罗拉多大学电子工程系获得了本科学位。虽然本科就读电子工程系,梅曼却对物理学更感兴趣,他的梦想是到斯坦福大学物理系攻读博士。不幸的是,斯坦福大学拒绝了他的申请,与此同时他收到了哥伦比亚大学的录取通知书。

当年的哥伦比亚大学物理系,大师云集,如日中天。但是梅曼对斯坦福大学情有独钟,虽然被拒绝,却不肯放弃初衷,从老家丹佛搭车一路到了加州斯坦福大学,想方设法敲开许多教授的办公室的门,寻找读博士的机会。最后虽然没有打动斯坦福大学物理系的教授,却被斯坦福大学电子工程系录取。

1951年,在电子工程系获得硕士学位后,梅曼再次申请斯坦福大学物理系。这一年,兰姆(Willis Lamb,1955年诺贝尔物理学奖得主)正好离开哥伦比亚大学加盟斯坦福大学,需要有光学和电子工程背景的学生建立实验室。兰姆看重梅曼的动手能力,让梅曼加入自己的课题组。在博士期间,梅曼主要从事光学方面的工作,用光学手段研究一些原子气体的性质。1955年获得博士学位后,梅曼进入休斯实验室,第一个项目是研制一台基于红宝石的微波激射器(Ruby MASER)。

汤斯与MASER

微波激射器(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation,MASER),译为“利用受激辐射对微波进行放大”。“受激辐射”源自爱因斯坦在1917年发表的一篇文章,他从理论上指出,当光与物质相互作用时,除了吸收和自发辐射之外,还存在第三种过程——受激辐射。

自发辐射发生时,处于上能级的原子系统自发地跃迁到下能级,同时释放出一个光子;受激辐射过程中,一个频率合适的入射光子诱发处于高能级状态的原子系统跃迁到低能级状态,额外释放出与入射光子完全相同的光子。为了能保证对光的放大超过吸收,前提条件是实现粒子数反转。一般情况下,物质处于热平衡状态,粒子数的分布满足玻尔兹曼分布,能级越高,粒子数越少,此时受激辐射弱于吸收。粒子数反转意味着增益介质要远离平衡态,从而处于上能级的粒子数超过处于下能级的粒子数,这样光在增益介质中传播时受到的增益才可能大于损耗,达成对光的放大。

MASER的发明人是汤斯(Charles Townes,1915-2015,1964年诺贝尔物理学奖得主)。他于1915年出生在美国的南卡罗来纳州。1939年,年仅24岁的汤斯从加州理工学院获得博士学位,就职于贝尔实验室。跟很多人的想法一样,汤斯选择贝尔实验室看重的是其良好的科研环境,希望以此为跳板,下一步到大学做教授。果然,汤斯在1948年收到了哥伦比亚大学物理系的邀请,成为该系的正教授,并且雇了肖洛(Arthur Schawlow,1921-1999,1981年诺贝尔物理学奖得主)为博士后。肖洛1921年出生在美国,随父母在加拿大多伦多长大,并在多伦多大学获得博士学位。1951年,肖洛跟汤斯的妹妹结婚。

1951年4月26日,汤斯产生了如何做MASER的思路,他想到了如何在氨分子里实现粒子数反转的方法。氨分子是二能级系统,直接实现粒子数反转是不可能的,但是汤斯的办法非常巧妙:利用气体放电可以让一小部分氨分子处于激发态,然后通过磁场把处于基态的氨分子和处于激发态的氨分子区分开来,将激发态的氨分子注入到一个微波谐振腔里,在这个谐振腔里就实现了粒子数反转。有了MASER的想法之后,汤斯着手实验验证。1951年底,肖洛离开哥伦比亚大学物理系,到贝尔实验室工作。汤斯将MASER的工作交给一个叫James Gordon的博士生,经过三年的努力,世界上第一台MASER问世。

知之非难,行之不易

从1954年到1957年,MASER的技术突飞猛进,人们发明了用固体作为增益介质的MASER,比如用合适波长的光进行抽运,具有三能级结构的红宝石就可以实现粒子数反转。同时,很多课题组想到,既然可以在微波频段制造MASER,那能否在更高频率的频段实现粒子数反转,建成光波波段的激射器(也就是激光)呢?作为MASER的发明人,汤斯当然知道激光的重要性。他认为光的激射是MASER自然往前的发展,于是将这种装置称为Optical MASER。

实现Optical MASER的难点有三个:一是工作在光波波段的增益介质,实现粒子数反转,二是合适的抽运方式,三是谐振腔,更是难中之难。当时大家认为谐振腔的尺度应该和波长差不多,汤斯的MASER的工作波长为1．5 cm左右,而光波的波长比微波短几个数量级。如果仿照微波的做法,做一个波长大小的谐振腔,难度非常高。在1957年以前,汤斯认为几乎不可能通过受激辐射实现对光波的放大。到了1957年夏天,他变得乐观了一点,但也认为至少还需要25年时间。

本着先易后难的原则,汤斯需要首先确定增益介质和抽运方式。当时在哥伦比亚大学物理系有很多人用光抽运气体,以实现粒子数反转产生微波,库什(Polykarp Kusch, 1911-1993,1955年诺贝尔奖得主)组里就在做这样的研究。库什有一个博士生叫古德(Gordon Gould, 1920-2005),汤斯得知他对光抽运有经验,就把他叫到自己的办公室进行了两次谈话。

汤斯与肖洛联手

汤斯从1957年起开始担任贝尔实验室的顾问,每个月有两三天跨过哈德逊河,到位于新泽西的贝尔实验室工作。这时肖洛已经在那里工作六年。肖洛到贝尔实验室工作时,本是要跟随巴丁(John Bardeen,1908-1991,1956年和1972年诺贝尔物理奖得主)一起进行超导方面的研究。1951年,就在肖洛来贝尔实验室之前不久,巴丁接受了来自伊利诺伊大学的邀请,离开了贝尔实验室,因此肖洛在加入贝尔实验室的前几年一直没什么具体科研工作。

当时,他被提名为贝尔实验室安全管理员。后来肖洛回忆说自己在那段时间里,几乎没什么事可干,非常害怕,觉得自己的职业生涯就此要断送了。他说自己作为安全管理员,所做的唯一的一件事情是为一起安全事故写报告,那起安全事故是一名理论物理学家竟然用铅笔戳伤了自己。肖洛在这个报告的最后不忘幽默一下,建议为做理论的人提供专门培训,训练他们如何正确使用铅笔。

汤斯看到肖洛在贝尔实验室比较消沉,于是向他介绍了Optical MASER这一初步构想,告诉肖洛可以使用光抽运和使用钾金属气体作增益介质,但是还不知道怎么制作谐振腔。肖洛对此也很感兴趣,随即二人开始合作,肖洛很快就想到可以用由两面平行镜子组成的法布里-珀罗腔作为激光器的谐振腔,于是实现激光器的三个部件全部齐全。两人合作写了一篇理论文章《Infrared and Optical MASERs》,于1958年12月15日发表在了Physical Review上 。这篇文章第一次在理论上预言了激光的可行性,详细地分析了在法布里-珀罗腔充当谐振腔的情况下,利用光抽运钾金属气体产生激光输出。在汤斯的坚持下,贝尔实验室在文章发表之前就为Optical MASER申请了专利。

特立独行的古德

汤斯严重低估了古德。古德硕士毕业于耶鲁大学,1944年到1945年参加曼哈顿计划。他青年时异常激进,当时美国盛行麦卡锡主义,导致古德的研究之路极度坎坷。1949年,他到哥伦比亚大学物理系跟随库什读博士。

1957年,37岁的古德基本完成了实验工作,正要集中精力撰写博士论文。古德只比汤斯小五岁,在汤斯和其他教授看来,古德比较懒散,读了八年博士也没有像样的成果,只是在混着等毕业而已。古德的性格跟汤斯迥异,汤斯是传统意义上的学院派教授,工作努力且非常自律,而古德思路活跃,敢于冒险,一直梦想成为伟大的发明家,通过发明实现财务自由。

与汤斯谈话之后,古德极度兴奋,思考到底该怎么实现激光。在与汤斯讨论时,古德已经意识到可以用光抽运气体,因此难点在于合适的谐振腔。经过几个星期的思考,他也独立想到激光的谐振器可以采用法布里-珀罗腔。

1957年12月13日,古德将自己关于激光的构想写在了实验本上,题目叫《Some rough calculations on the feasibility of a LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation》(《关于激光:基于受激辐射光放大可行性的一些粗略计算》)。所以我们今天熟知的激光的名字来自古德。数年之后,关于激光的命名还有争议,汤斯和肖洛坚持认为激光器应该叫Optical MASER。肖洛还开玩笑说,如果按照古德的说法,光在法布里-珀罗腔中谐振,是一个Light Oscillation的过程,而不是Light Amplification,所以激光的名字应该是Loser。

必须说明,汤斯和古德对激光的认识有很大不同。汤斯认为,就像MASER一样,激光最大的优点是在于其频率单一;古德直觉更准,他意识到激光器所产生的光不仅频率单一,更重要的是它是相干光,发散角非常小,在空间上可以形成传输距离很远的光束,可以把能量很快地传输到远方;如果聚焦的话,极小的光斑产生极高的光强,说不定可用作激光武器或是引发核聚变等。

1958年1月,古德向一名律师询问如何申请专利。在交流的过程中,古德误解了律师的意思,以为只有先做出激光器才能申请专利,因而错过了早于贝尔实验室申请专利的时机。1958年3月,古德做出人生中的重大决定:从已经读了快九年的哥伦比亚大学物理系退学,放弃博士学位。他觉得激光有巨大的商机,一定要争分夺秒。他加盟了一家名为TRG的初创公司。1959年初,他从国防部获得了99．98万美元用于研发第一台激光器。

看起来古德在这场竞争中处于领先地位,实则不然。由于早年参加激进活动,导致他迟迟不能通过政审。虽然巨额经费来自于古德的项目书,但他却被排除在任何实验工作之外,甚至无权再看自己写的项目书。这导致古德在TRG处于一种荒谬的状态,他甚至不能进入那栋专门用于研发激光的实验楼。尤为尴尬的是,那些真正动手研发激光的人碰到问题,向古德请教时为了防止泄密,不能说自己在研发激光,只能委婉地问:假如我们在搭建一台激光,我是说假如,并不是真的在做,如果发现激光不能起振,要是你在做这个实验的话,你觉得应该怎么做?情况就是如此令人啼笑皆非。古德能看不出来吗?可是他还是提出自己的建议,这些人再去做实验,获得一些实验结果再反馈给古德。整个过程效率很低,让古德在这场激光的竞争中渐渐落后。

群英聚会,华山论“剑”

1959年,汤斯与肖洛在Physical Review上发表文章后,很多研究组都试图第一个做出激光,竞争异常激烈。仅贝尔实验室就有四个组尝试不同的办法,尝试不同的增益介质,包括气体、半导体和晶体。在这个阶段,大家遮遮掩掩,互相提防。1959年9月,汤斯把大家叫在一起,在离纽约曼哈顿不远的一个度假村召开了一个小型会议,共有163人参加,其中17人来自贝尔实验室,休斯实验室也来了4人,其中之一就是梅曼。

梅曼很晚加入这场竞赛,确切地说是参加这场会议之后。1956年,梅曼开始在休斯实验室工作,承担的任务是为军方做一台基于红宝石的微波激射器。红宝石为三能级系统,可以利用光抽运。当时红宝石MASER已经非常成熟,军方希望将其小型化,发射到太空。梅曼花了三年时间完成了该项目,但这时军方对此已失去兴趣。在1959年的这个会议上,梅曼介绍了自己这方面的工作。会议上大家都只对激光感兴趣,梅曼的工作并没有引起什么反响。

当时梅曼也需要开始新的项目。会议之后,梅曼说服公司的管理人员,利用公司内部的科研经费开始激光的研制。尽管很晚加入到激光的竞赛当中,但梅曼很幸运,他选用的增益材料是红宝石。

红宝石在MASER研究中已经比较常见,肖洛在贝尔实验室也尝试过红宝石,但并没有成功,一是由于他用的红宝石晶体质量较差,二是他使用连续光作为抽运光。经过计算,他发现如果用光去抽运具有三能级结构的红宝石,需要极高的抽运能量才能实现粒子数反转,而连续光抽运能量太高将导致晶体无法及时散热,最终因温度过高而损坏。肖洛因此得出结论:用红宝石做激光行不通。1958年起的两年内,肖洛到处说红宝石不能用来做激光的增益介质。由于他已经被认为是这个领域的权威,大家都不再考虑红宝石。

但是梅曼却对此持怀疑态度。

独辟蹊径,力拔头筹

回到休斯实验室后,梅曼做了一些初步的实验,更加坚定了自己的判断,觉得红宝石做激光增益介质可行。梅曼从小喜欢做电子实验,有工程师的头脑,解决问题的思路跟学院派的汤斯、肖洛以及贝尔实验室的其他科学家不一样,算是介于古德和学院派之间。比起学院派,他思路更灵活实际,比起古德,他受的训练更扎实,对光学更熟悉。他的关键想法是,不一定非要用连续光来抽运红宝石,换成脉冲光能够避免过热问题。脉冲光可以在短时间内输入非常高的能量,让红宝石晶体实现粒子数反转,从而输出激光,接下来抽运光消失,粒子数反转解除,同时不会积攒更多热量。

这张图片是梅曼设计的红宝石激光器的结构图,抽运源来自General Electric 公司(GE公司)的现成产品。梅曼觉得螺旋形的抽运灯更好,这样可以把充当增益介质的红宝石棒插在螺旋形灯管的中间,在外面再加一个镀银的外套把所有的光都能反射回去,就可以保证灯泡发出的光全部聚焦到红宝石晶体上。同时,他在红宝石晶体的两侧分别镀银,在其中一边开了一个小孔,这样光就可以部分透射,谐振腔就做好了。这样一来,激光器的三个元素都齐备了:螺旋形闪光灯为抽运源,红宝石晶体为增益介质,法布里-珀罗腔为谐振腔。

1960年5月16号下午,梅曼和自己的助手在实验室里增加氙抽运灯的电压,从几百伏开始往上加,用示波器记录红色荧光随时间的变化。开始时,抽运比较弱,粒子数反转处在阈值之下,能产生的都是荧光,因为抽运光是个脉冲,脉冲过去之后激光器驰豫,荧光慢慢消失。继续增加电压到粒子数反转超过阈值时,开始出现受激辐射,示波器上出现尖峰。当电压加到900多伏的时候,明显可以看到一个尖峰,此时他们知道自己真正做出了人类历史上的第一束相干光,第一台激光就此诞生。

谁想到梅曼的助手是色盲,眼睛看不到红色,而第一台红宝石激光器产生的恰恰是红光,因为输出激光实在太强,光束射到远处的墙上产生的散射光让梅曼的助手在人生中第一次看到了红色。