激光的伟大发明

更新日期:2008-07-16
  激光的发明可以追溯到1958年。当时Arthur L.Schawlow和Charles H.Townes在Physical Review上发表了一篇名为“Infr ared and Optical Masers ”的论文,从而开创了一个新的科学领域并产生了一个具数十亿美元产值的新工业。   

  Schawlow和Townes在二十世纪40年代和50年代早期从事微波波谱方面的研究工作。作为研究各种分子特性的有力工具,微波波谱技术其时颇引人注目。他们并没有想发明一种设备,使从通信到机械的各种产业发生翻天覆地的变化;他们所想的仅仅是开发一种设备来帮助他们研究分子结构。

  初始工作   

  Townes在加州技术学院获博士学位后,于1939年加入贝尔实验室。在那里,他从事包括微波发生、真空管和磁学等各种不同工作。后来,他转到固体物理领域,研究表面电子发射。   

   一天,也就是Townes到贝尔实验室的一年后,Townes实验室的主任Mervin Kelly通知大家“从星期一开始,你们研究雷达轰炸系统。”Townes不喜欢这项工作,但他知道二次世界大战已经打破了贝尔实验室的宁静。“我们相当努力地研究雷达轰炸系统,一年后我们将该系统装入飞机中,发现它非常有效。”Townes说。   

  专注于分子吸收研究   

  二战期间,Townes对航空无线电很感兴趣,但他的防雷达工作使他必须专注于微波波谱方面的研究。雷达系统以特定波长播发无线电信号,当这些信号碰到诸如战舰或飞机之类的固体物质,就会反射回雷达系统,从而雷达系统可以识别这些物体并定位。 Townes从事的雷达导航轰炸系统采用的波长是10cm及后来的3cm,但军方要求的波长是1.25cm。以便更好的定向以及在飞机上使用更小的天线。

  湿 度   

  Townes致力于1.25cm波长的工作。他知道,气体分子在固定波长可以吸收波形,尤其令他担心的是,大气层中的水蒸气(如雾、雨、云)可能会吸收 cm雷达信号。   

  “雷达已经建好,已调试好,但尚不能工作,主要存在水蒸气吸收问题”他说,该系统最多只能“见”到几英里开外,“……而且,要搜寻海上船只或类似的其它物体还有太多的局限。   

  迁至Columbia


  战后,Townes在贝尔实验室专门从事分子波谱的研究工作。1948年,他获得了转到Columbia大学工作的机会。他说:“我到Columbia大学的部分原因是,Columbia大学更专注于物理学以及我感兴趣的原理定律。此外,我更喜欢大学生活,在大学工作一直是我心中所愿。”   

  微波波谱学科是Schawlow 和Townes在1949年第一次相见的共同基础。此时,Schawlow刚好在多伦多大学获得物理博士学位。然后,他到Columbia大学从事一研究基金项目,与Townes开始一道工作。   

  分子研究   

  在Columbia, Townes继续研究采用受激辐射探测气体分子波谱方面的工作,由此首先发明了maser(微波激射),后来发明了laser(激光)。   


  Townes知道,微波激射的波长越短,其与分子的作用越强,因而它是研究波谱的强有力工具。但当时要制造一种小到足以产生所需波长的设备超出了制造技术的水平。所以,Townes竭力解决用分子产生所需频率的技术限制问题。

  在Franklin公园的奇想   

  有几个技术问题当时已经解决,其中包括热力学第二定律,实际上,热力学第二定律已告诉Townes时,分子不会产生超过固定量的能量。   

  在Townes参加华盛顿的一个毫米波发射的科学委员会会议时,他正考虑如何回避热力第二定律。一天早晨,他在Franklin公园一边散步,一边思考这个问题。“我想,热力学第二定律假设了热量是平衡,而我们不必考虑它。”  

  信封背面的计算   

  Townes从夹克中拿出了一个信封开始匆匆记下他关于要得到他所需的功率输出在谐振器中需多少分子的计算。然后,他回到酒店并将这个思想告诉了Schowlow。Townes说:“我告诉他这个构思,他马上同意了我的观点并说这非常有意义。”当Townes回到Columbia后,他让他的研究生James P.Gordon立即开始这个项目工作,后来还聘用了H.L Zeiger作助手。Schawlow没有参与maser的工作。但他说:“我亲眼目睹了他笔记本中的这项发明。”   

  同一年,Schawlow离开了Townes和Columbia到贝尔实验室担任了一个研究员的工作。“我在贝尔实验室主要从事超导电性的研究”,他说,“随后几年,我也没有在masers激动人心的发展中作过任何工作。”   

  研究maser   

  Townes决定研究氨,氨是一个很强的吸收体,与波长的作用很强。“这是我的老爱好,我对氨知之甚多。我们有1.25cm波长的波腔,所有技术和波导。”   

  他从事maser工作时,很少有人对他的工作感兴趣。有一次他说:“我们很平静地以研究生的方式工作了三年,最后我们成功了。据我所知,其它人都不愿意从事这项工作。”   
  
  1953年,Townes Gordon 和Zeiger研制出一种叫maser的设备,可以通过发射物的受激发射实现微波放大。他们通过Columbia大学申请了该设备的专利。   

  与贝尔实验室合作

  Townes知道,比微波波长更短的波长(如红外线和光波波长)在研究波谱方面可能是比maser产生的微波辐射更有用。 在Columbia期间,Townes 1956年荣任贝尔实验室的顾问工作。他可以访问实验室、与人交谈、视察项目并交流思想。他说:“这是一个很不错的顾问工作,所以我欣然接受!”   Townes仍在思考光的受激辐射,并看望了已在贝尔实验室呆了5年的Schawlow。这两个科学家再度合作出版了一本《微波波谱》的书。Schawlow后来回忆说:“我在认真考虑如何将maser原理从微波应用到波长更短的波,如红外线波谱领域。后来发现Townes也在考虑这个问题,于是我们决定携手合作解决这个问题。”   

  将镜片放到空腔中

  Schawlow的思想是在空腔的每一端放一个镜片,使光来回反射。这样,可消除光束在其它方向的激射。Schawlow和Townes探讨了该方案的可行性,并对之抱着极大的热情。1957年秋天,他们开始研究生产更短波长的设备原理。通过使用镜片,Schawlow想到,这些镜片的尺寸应当可调以便激光只有一个频率,一个特定频率可以在一个路径宽度范围内选定,镜片大小可调以便任何轻微的偏向运动都能被抑制。实际上,他去掉了大多数空腔,只保留了两端空腔。   

  Schawlow说:“我们不用中断我们的其它工作,我们只用了几个月的业余时间。”Schawlow研制设备,而Townes从事理论研究。Schawlow建议用常规固体材料来产生固体激光。   

  美国专利2#、929 、922

  八个月之后,他们的合作开花结果。1958年,他们就他们的工作合写了一篇言论文,此时他们尚未造出真实的激光,并且他们还通过贝尔实验室申请了一项专利。他们关于maser原理可推广应用到光谱领域的建议发表在Physical Review的第十二期杂志上。   

  两年后,Schawlow和Townes获得了激光发明的专利,与此同时Hughes Aircraft公司的Theodore Maiman制造出了可以工作的激光器。1961年,Schawlow离开贝尔实验室开始了其在Stanford的执教和研究工作,在Stanford,他进一步推动了激光在波谱领域的应用。他说:“Stanford给了我不能拒绝的承诺。” 赢得Nobel奖。  

  1964年,“由于在量子电子学领域中的基础工作导致基于maser-laser原理的谐振器和放大器的发明”,Townes与Moscow 的Lebedev学院的A.Prskhorov和N.Bason共同一起获得该年度的Nobel物理奖。   


  1981年,Schawlow也因其对激光光谱的贡献荣获该年度的Nobel物理奖。Townes说:“这项奖对Schlwlow来得太迟。” Schawlow回顾这项发明说“我们想到了它的通信和科学应用,而没有将它保留在心中。如果这样做,会妨碍我们做出激光发明。”