激光之父：1964年诺贝尔物理学奖得主汤斯博士
时间：2022-03-04 09:43:59 浏览次数：次
[摘要]美国实验和理论物理学家、发明家和教育家查尔斯·汤斯是微波激射器（Maser）的主要发明者和激光器（Laser）的先驱者之一，与前苏联（现俄罗斯）物理学家和微波波谱学家巴索夫以及普罗霍罗夫分享1964年诺贝尔物理学奖，还与多人共享“激光之父”之美誉。激光技术是20世纪人类的重大技术发明之一，为了纪念汤斯教授逝世1周年并寄托笔者的深情哀思，特撰写出此长文。笔者在此全面介绍了汤斯教授的生平与家庭成员；主要学术成就与贡献；与中国的渊源以及所获雅称、奖项与荣衔，重点梳理出激光技术波澜壮阔发展历程的整个脉络和概貌，还顺便简介了并非激光器的半导体发光二极管（LED）的发展概况，简明扼要地阐述了诺贝尔自然科学奖中与激光技术密切相关的有关情况。
[关键词]查尔斯·汤斯；能级（能态）；跃迁；受激辐射；微波波谱学；核磁共振；拉比树；粒子数反转；微波激射器（Maser）；量子电子学；工作物质（增益介质）；泵浦源；光泵浦；光谐振腔；激光（Laser）；红宝石激光器；激光技术；光纤通信（光通信）；网络；全息摄影术；精密测量；激光冷却技术；玻色一爱因斯坦凝聚态（BEC）；发光二极管（LED）；发明专利；诺贝尔自然科学奖
2.8激光技术主要发展历程简述（续）
1962年休斯研究实验室美国物理学家赫尔沃斯（RobeaWillis Hellwarth，1930.12.10-）和麦克鲁尔（Fred J.McClung）在红宝石激光器的谐振腔内采用了可外部控制的克尔盒（电光元件亦可采用普克尔斯盒，即Pockels cell），通过控制反馈保持了一个巨脉冲，从而研制成功把红宝石激光器用作巨脉冲发生器的电驱动Q开关技术（Q-switching，又称调Q技术。与同样用来产生激光脉冲的锁模技术相比，该技术的重复率、脉冲能量和持续时间更长。有时，这两种技术会同时使用），这为激光器向大功率和高能量单短巨脉冲的发展打开了门户。1964年贝尔实验室哈格罗夫（Logan Ezral Hargrove）小组等研究成功激光锁模技术，应用该技术可产生高质量的脉冲输出用于精密测量。1965年美国霍尼韦尔（Honeywell）公司研究人员莫克尔（Hansw.Mocker）和明尼苏达大学柯林斯利用Q开关技术周期性地调节红宝石激光器谐振腔内部的损耗，首次实现了巨脉冲振幅调制的被动锁模，可将脉宽压缩到10 ns以下，开辟了物理学和化学研究的一个全新领域。1966年康涅狄格州联合航空研究实验室（United Aircraft Research Labs）美国籍意大利裔物理学家迪玛利亚（Anthony John DeMaria，1931.10.30-）小组利用钕玻璃激光器和饱和吸收器，借助主动锁模技术首次获得皮秒（picosecond，1 ps=10-12s）级超短激光脉冲”J，科学家们利用皮秒脉冲技术可直接探测观察到半导体中的载流子运动。机械或电动快门式高速相机拍摄一张照片的最快极限时间是1纳秒（nanosecond，1 ns=10s），2014年8月10日东京大学和庆应义塾大学研究人员在《自然·光子学》杂志网络版上报告说他们已研发出连拍速度极快的相机，每拍一张照片的时间还不到1 ps。
1963年马萨诸塞州布兰迪斯大学（Brandeis University）列姆皮基（Alexander Lempicki）等人报道了首台（非光泵浦）有机染料激光器（organic dye laser，613.1 nm）。1966年IBM托马斯·沃森研究中心索洛金和兰卡德（JohnR.Lankard，sr.）利用巨脉冲红宝石激光器泵浦氯化铝酞菁CAP（chloro-aluminium phthalocyanine）和花菁类染料溶液，共同发明4ELS光泵浦有机染料激光器（755.5nm），这是世界上首台频率连续可调的激光器，为发展可调谐激光器奠定了基础；同年德国马尔堡大学物理化学研究所物理学家西菲亚（Fritz Peter Schafer，1931.01.15-2011.04.25）小组也独立地发明了这种多波长染料激光器。染料激光器后被应用于超快光学和光谱学领域，西菲亚的专著《染料激光器》（Oye/asers，1973）是可调谐激光器领域的经典之作。1966年通用电话和电子学实验室公司（General Telephone&Electronics Labs Inc.）列姆皮基等人利用掺钕氯化氧硒（seOCl2：Nd3+，氯化氧硒是剧烈的糜烂性毒剂）为工作物质发明无机液体激光器（inorganic liquidlaser，1.055 um）。1967年可见光染料激光器问世，随即Korad公司索佛尔（Bernard H.Softer）和麦克法兰（Bill B.McFarland）发明了宽波段连续可调的有机染料激光器。1970年美国伊士曼柯达（Eastman Kodak）公司研究实验室彼得森（Otis G Peterson）小组发明了输出CW的有机染料激光器。在1972年蒙特利尔第7届国际量子电子学会议（会期：5月8～11日）上，贝尔实验室科学家首次报告被动锁模输出CW的染料激光器，稍后正式发表相关论文。1982年MIT林肯实验室莫尔顿（Peter Franklin Moulton，1946.05.27-）在慕尼黑第12届国际量子电子学会议（会期：6月22～25日）上报告：利用碰撞锁模技术，已开发出掺钛蓝宝石（Al2O3：Ti）激光器，能实现660～1180nm宽波长连续可调并利用它可产生短于100 fs的超短激光脉冲，钛蓝宝石激光器可用于取代可调谐超快激光应用的染料激光器，是当今实验室里最常用的飞秒激光器。1987年贝尔实验室贝克尔（Philippe c.Becker）小组利用脉冲压缩技术和碰撞锁模技术从染料激光器获得6 fs超短脉冲输出。2003年哈佛大学工程与应用科学学院马祖尔（EricMazur，1954.11.14-）教授用飞秒脉冲施行“分子外科手术”，在不破坏分子的前提下改变分子问的关联结构。