第六十七章神奇之光
激光的发明
千百年来，人们希望改造普通光。1960年7月，世界上第一台固体红宝石光量子放大器诞生
，激光由此发明并得以广泛应用。
能级跃迁强光会聚
1916年，大物理学家爱因斯坦提出了光受激辐射的理论，认为处在高能级的原子会向低能级
迁，同时放出一个光子。这个光子就会激发它邻近的另一个相同能级的原子发光，发出的光
子又会引起别的原子辐射，这样在一个极短的时间里，就会激发出非常多的光子。在一刹那
间把光放大千百亿倍。
1951年，美国的物理学家汤恩斯在美国华盛顿召开的物理学会议上，提出了利用受激辐
射放大微波的构想，从而为激光器的发明奠定了理论基础。与此同时，前苏联物理学家巴
索夫和普罗霍洛夫也在进行同样的工作。
1954年，汤恩斯等人为获得相干辐射，发明了第一架波长为125厘米的氨分子气体微波量
子放大器Master，它的译音为“脉泽”。
1957年，固体微波量子放大器问世。这类器件具有低噪音、高灵敏度的优点，在远
程微波雷达、人造卫星、射电天文学、通信、遥测和遥控等现代科学技术中应用潜力极大。
因此，它们在理论和技术上发展神速，很快便从实验室步入实用。
微波量子放大器的发明和发展，为激光的问世奠定了坚实的物质基础。因为激光器实质上就
是一台光波段的量子放大器。
1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种颇为奇怪的现象：当他们将闪光灯泡所发射的光
照射到一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现
象，他们提出了“激光原理”：物质在受到与其分子固有振荡频率相同的“能量”激励时，
都会产生这种不发散的光——激光。可以说，“激光原理”的提出是光学史上的一个里程碑
。正是在它的基础上，人们才制成了真正的激光器。
宝石受激神光诞生
1958年，汤恩斯、巴索夫和普罗霍洛夫几乎同时提出了把受激辐射放大推
进到光频的设想，建立了把微波量子放大技术扩展到光波段的理论。他们因此共同获得了
1964年的诺贝尔物理学奖。
此后，受激辐射振荡器从微波逐渐扩展到光波段。
1960年7月，世界上第一台固体红宝石光量子放大器被美国科学家梅曼在实验室试验成功。
时，他用刚王中掺入铬离子(即红宝石晶体)的晶体作工作物质。梅曼选用这种材料时也曾犹
豫过，当时，有人指出，不能指望用红宝石晶体作为激光的工作物质，原因是按红宝石晶的
能级结
构和特性，需要的泵浦强度极高，技术上不容易达到。还有人认为，红宝石的发光量子效
率低，只有1%左右。于是，梅曼也曾考虑采用碱金属蒸气作工作物质，但分析对比后，发现
利用这
种蒸气作工作物质遇到的难度更大，而梅曼在研制微波激射器时曾用过红宝石晶体，对它的
光学特性多少有些了解，所以，他决定先采用红宝石晶体作试验，从中了解有关对工作物质
的具体要求，再和材料科学家合作，研制新的工作物质。
梅曼通过重新测量红宝石晶的量子效率发现，其不是他人文章中提到的1%，而是高达
75%(后来实验中还达到了100%)，他又分析了使红宝石晶体达到能级粒子反转的条件，发现
只要有等价于5000K黑体辐射光源泵浦就能使能级粒子反转，而氙灯的色温可以达至8000K。
所以，在技术上当时是完全可以做到。经过这些分析，梅曼坚定地选用了红宝石晶体作他的
放大
器工作物质。这台放大器所以用的泵浦源——脉冲氙灯是螺旋形，红宝石棒直径1厘米，长2
厘米，它刚好可以套入螺旋氙灯在红宝石两端的镀银膜，构成谐振腔。
梅曼接通电源，打开开关，一束耀眼的神奇红光射了出来，它的亮度竟不可思议地是太阳表
亮度的4倍。梅曼成功了，他制造出了世界上第一台光量子放大器。光量子放大器其实就是
激光放大器，这种神奇之光被称为“激光”或“镭射”。
光量子放大器制出后，激光器一跃成为世界上最令人注目的新发明。
在梅曼进行此项研究之后不久，美国贝尔研究所的格林治研制成功了红宝石激光
器。此外，威斯汀豪斯公司和雷森公司的研究所也都相继开展了激光器的研究。
开始时，红宝石激光器发出的光有短时间的间歇，贝尔研究所的保尔和内尔森二人将红宝石
放到液氮中冷却(-196℃)，用水银灯照射，使红宝石能保持无间歇地长时间地发光。
这些成功使激光器向实用化阶段迈出一大步。但是，仍存在不少问题。
如果用很大的红宝石，长时间发射激光，就会产生很大的热量，温度的上升将引起激光器的
破裂；
若使用小的红宝石，所产生的激光又很弱。然而，经研究发现电磁波是能够放大的，激光也
应该能放大。因此，激光的实用化应该是不成问题的。
1961年，美国贝尔研究所的佳班将氦气和氖气混合在一起，用光加以照射，由于氦和氖分子
的振动产生了一种特殊的红外线。这种装置称为氦氖气体激光器。这也是世界上第一台氦气
激光器。
氦氖气体激光器和以前巴利安公司研制的氨气体激光器不同，它所发出的激光不含杂波，是
极纯正的单色光。
此外还有利用铯和铷等蒸气制造的气体激光器陆续问世。激光器的新研究成果不断涌现。
概括地说，形成激光要经历下述过程：首先通过激励能源(如氙灯)的作用使工作物质(
如红宝石棒)实现粒子数反转分布(粒子数反转分布是相对于原子正常分布而言的)。在这种
状态下，在工作物质中偶然产生的自发辐射的光子进行受激放大，从而得到大量特征完全相
同的光子。再通过谐振腔的作用，使受激辐射维持下去，大大加强了受激放大的效果，使之
持续发射大量特征相同的光子，这就形成了激光。显然，激光是受激幅射和谐振腔共同作用
的结果，激光即是“受激辐射光放大器”。
从激光形成的过程可以看出，从发光的内部机制看，普通光源的发光是自发辐射
，激光是受激辐射。物质的发光是亿亿个原子的跃迁(即原子在高能级和低能级之间的跳动)
在自发辐射中每个原子的跃迁是自发的，个体化的，互不关连的，无秩序的，不可控制的，
所发出的光也是杂乱无章的。然而，在受激辐射中受激辐射所发出的光与激发它的外来光性
质完全相同，即各发光原子之间是步调一致的，是互相关联的、有规律的、集体化的发光行
为，
所发出光子是单一的，可控制的。由此可见，激光器是一种新颖的光源，
它具有普通光源所不具备的特点。
首先，普通光是多种光的混合，而激光则只包含一种光色，因而是颜色最纯的光。其次，普
通光都是散射的，为了增加亮度，就要用光罩把散射的光反射回来。假如有一架聚光性能最
美的探照灯，用它来照射月球，那么光束的直径也会扩散到几千公里以上。而激光具有集束
的性能，它集中在沿轴线方向的一个极小的张角内。如果把一束激光射到月球上，光束直径
有2公里。正因为这个缘故，激光的亮度可以高出同功率的普通光几亿倍，甚至比太阳光还
要亮得多。如果把它汇聚起来，在不到千分之一秒内，就能产生几千万度的高温，熔点再高
的金属，遇到激光也只有化作一缕青烟了。
可见，激光是目前世界上最亮的光源，而且颜色最纯，射得最远，汇聚得最小，光束最
准直，相干性最好。这种新型光源开辟了经典光学前所未有的应用前景。
激光器就其类型而言，除了以上介绍的红宝石激光器外，还有其他类型的激光器。1961年美
国IBM公司研制成氟化钙激光器，1962年，美国通用电气公司和IBM公司又分别研制成了固体
激光器。在近30多年的时间里，不同类型的激光器应不同需要应运而生。按照工作物质的不
同可分为：气体激光器、液体激光器、半导体激光器和固体激光器等。按激光器工作方式的
不同分为4类：脉冲的、连续的、Q突变的、超短脉冲的。
不仅如此，新型激光器正在不断涌现
，如波导激光器、准分子激光器、无机液体激光器，都各有特色。器件的研究朝着实用化、
小型化、多波长、可调谐、大功率、窄脉宽、锁模、高效率等方向发展。
