60年前的群雄逐鹿—激光发明的历程与启示

作者: 常国庆

来源: 光电汇OESHOW

发布日期: 2020-12-02 10:46:27

本文详细描述了1960年梅曼成功研制人类历史上第一台激光器的历程,以及他在激光研究领域的贡献和影响。文章通过梅曼的生平、研究过程和最终成果,展示了他在科学研究中的创新思维和实践能力。

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。

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)。

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。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。

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。

在那场新闻发布会上,有记者询问激光有什么用处。

梅曼给出了5方面的建议:用来放大光,比如做高功率激光器的时候,都是用光放大器对比较弱的光进行放大;可以用激光去研究物质(后来发展为激光光谱学);用高功率激光光束做空间通讯;用于增加通讯的信道数量(这就是后来出现的光纤通讯);把光束聚焦,产生超高的光强,用于工业上切割或焊接材料,或是在医学上进行手术等等。梅曼这些建议日后一一应验,说明以他为代表的第一代激光研究者对激光的潜在能力有着清晰的认识和远见。

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