汤斯的意外之举和激光器发明的科学探索.doc
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汤斯的意外之举和激光器发明的科学探索,页数：3字数：3599 激光是20世纪中叶以后近二三十年内发展起来的一门新兴科学技术。它是现代物理学的一项重大成果，是量子理论、无线电电子学、微波波谱学以及固体物理学的综合产物，也是科学与技术、理论与实践紧密结合产生的灿烂成果。激光...
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汤斯的意外之举和激光器发明的科学探索
页数：3 字数：3599
汤斯的意外之举和激光器发明的科学探索
激光是20世纪中叶以后近二三十年内发展起来的一门新兴科学技术。它是现代物理学的一项重大成果，是量子理论、无线电电子学、微波波谱学以及固体物理学的综合产物，也是科学与技术、理论与实践紧密结合产生的灿烂成果。激光科学从它的孕育到初创和发展，凝聚了众多科学家的创造智慧，其中美国物理学家查尔斯·汤斯（C.H.Townes）所做的开创性工作尤为突出。他在量子电子学领域中的基础研究，导致了微波激射器和激光器的发明。汤斯的科学探索经历是非常值得我们学习和总结的一份珍贵的科学遗产，他的科学探索精神给进行知识创新的后人以启示和借鉴。
1、汤斯的奇想
在激光器发明史上有颇多的“意外事件”。1916年爱因斯坦提出了受激辐射概念，从事光学研究的物理学家们试图实现受激辐射以实现光的放大，但直到二次大战前，都没能如愿以偿。战后，应用微波技术研究物质结构，取得了一系列成果。1951年珀塞尔（E.M.Purcell）等人用微波波谱学的方法研究 LiF晶体内原子核磁矩构成的顺磁体系，他们用突然倒转的方法，造成了核自旋体系布居数的反转，意外地观察到 50kHz的受激辐射信号。也是在1951年，美国哥伦比亚大学的汤斯在华盛顿会议期间的一天早晨，突然想到了可以利用分子体系的受激辐射实现电磁波的振荡和放大，以缩短发射电磁波的波长，这最终导致了氨分子振荡器（也称微波激射器）的意外出现（1953年）。
汤斯某天突发奇想：能否利用分子体系的受激辐射，以实现电磁波的振荡和放大？
汤斯回忆道：“哈佛大学的珀塞尔和庞德已经实现了粒子数反转，不过信号太弱，人们无法加以利用，”并不是人们认为不能实现粒子数反转，而是没有办法放大，无法利用这一效应。他和其他物理学家都在苦思这个问题。汤斯很熟悉无线电工程，他先想到了，如果将介质置于谐振腔内，利用振荡和反馈，就可以放大。
关于他是如何构思出第一台微波激射器的，汤斯回忆他于1951年春天在华盛顿参加一个毫米波会议的情景：“很偶然，当时我正与肖洛（A.L.Schawlow）同住一个房间。后来他也参与了激光工作。我起床很早，为了不打扰他，我出去在公园旁的长凳上坐下，思考是什么原因没有制成（毫米波发生器）。很清楚，需要找出一种制作体形极小而又精致的谐振器的方法这种谐振器具有可以与电磁场耦合的某种能量。这像是分子一类的东西，要做出这样小的谐振器并供给能量会遇到多么大的技术困难？看来真正的希望在于找到一种利用分子的方法。也许正是早晨新鲜的空气使我突然看清了这个方案的可行性。几分钟内我就草拟好了方案，并计算出下列过程的条件：把分子束系统的高能态从低能态分开，并使之馈入腔中，腔中充有电磁辐射以激发分子进一步辐射，从而提供了反馈，保持持续振荡。”
汤斯选择氨分子作为激活介质，这是因为他从理论上预见到，氨分子的锥形结构中有一对能级可以实现受激辐射，跃迁频率为23870MHz。氨分子还有一个特性，就是在电场作用下，可以感应产生电偶极矩。氨的分子光谱早在1934年即有人用微波方法作出透彻研究。1946年又有人对其精细结构作了观察，这都为汤斯的工作奠定了基础。
氨分子振荡器具有极高的频率稳定度，可用作频谱标准；它只有极低的噪声，可用作灵敏度很高的放大器。汤斯的成功激起了许多人的兴趣，人们竞相研制和改进分子振荡器1956年的三能级方法实现连续运转的，以固体物质作为激活介质的微波激射器试制成功。固体微波激射器克服了氨分子振荡器作为放大器的不足，如不能连续运转，感应频率段窄，可调范围小等，其最大的优点是噪声近于零，是超灵敏的前级接收和放大器，广泛应用于宇航和通信方面。
2、走一条“意外之路”：谐振腔产生的意想不到的困难
在其他人迷恋于氨分子振荡器和微波激射器的时候，汤斯已经在朝产生更短波长的方向上努力了。他一开始的想法非常自然，只要把微波激射器的原理逐步推广，一步一步地缩短波长，例如由毫米波进入亚毫米波段，似乎就可以了。
汤斯的想法遇到了极大的困难。问题是当要产生的波长比1 cm短得多时，谐振腔的大小不应该比波长大许多，但在里面却要有足够多的被激励了的分子，这是非常困难的。对于更短的波长，谐振腔必然过大，困此会有许多复杂的振荡模式，这成为向更短波长迈进时的主要障碍。继汤斯之后，一些人也在考虑推广到产生更短波长的可能性，他们对解决谐振腔模式的困难各持已见。
谐振腔产生的意想不到的因难迫使汤斯走一条“意外之路”，他不得已放弃一步一步缩短波长的想法，决定“直接跳过去，越过毫米波和亚毫米波，直接进入波长短得多的红外和可见光区域。”汤斯迫不得已的这个“意外之举”有着高明之处，因为对毫米波和亚毫米波段人们知之甚少，而对于红外和可见光波段了解得较多，加之在可见光波段及其邻近由于对应的能量间隔较大，所以热辐射不会很快为受激原子淹没，也即要实现受激辐射更容易一些汤斯转向追求一种能在红外或可见光波段工作的激射器（以后被称为激光器），他草拟了一个设计方案，但很快发现这不是一个理想的系统，因为“振荡会在各种模式之间来回跳动。”汤斯为此深感困惑。一次偶然的机会，他去看望贝尔实验室的肖洛，在与肖洛共进晚餐时，谈起自已的设想与困难，肖洛对此表现出极大的兴趣，两人欣然决定合作。肖洛早年曾用光谱法研究原子的超精细结构，他对光学中的法布里- 珀罗干涉仪很有研究，并对固体微波激射器有着浓厚的兴趣，曾做过几项重大的改进，这些对他解决谐振腔带来的困难起到了决定性的作用。
在经过反复考虑之后，他向汤斯提出了关键性的建议：把谐振腔的大部分壁去掉，以两个相对的反射镜代替腔体，从而使得沿反射轴线传播的波起振，其余部分的波消失，肖洛实际上是以光学里的法布里-珀罗干涉仪代替谐振腔，从而解决了振荡模式的难题。
3、“意外之举”后的“预料之中”：各类激光器不断涌现，性能日臻完善
汤斯和肖洛相信他们有了适当的方案，认为利用法布里 -珀罗干涉仪作为谐振腔确实可以起到选模作用以产生极窄的激光束，制造出激光器是完全可以的。1958年12月，汤斯和肖洛联名在《物理评论》上发表了题为《红外区和光激射器》的论文。在这篇后来被誉为是激光器的奠基性的经典文献里，他们明确指出，使用分子与原子受激辐射过程的放大器与振荡器，在原理上可以推广到红外、可见光波段或更远，产生很好的单色辐射。他们详细讨论了激光器的理论问题，讨论了法布里- 珀罗干涉仪与一般微波共振腔的关系，尤其论述了用法布里 -珀罗干涉仪减少过剩波型和自发辐射的原理，最后对以钾蒸气为工作物质，钾灯为泵浦源的红外激光器进行了具体设计。
汤斯和消洛的文章把人们从谐振腔的迷宫里唤醒。人们意识到红外和可见光波段是比较容易突破的，激光器的出现已为期不远，因为主要的困难——谐振腔的困难已经被克服，许多人致力解决第二个困难——寻找合适的体系和方法实现反转分布。继汤斯和肖洛之后，接连提出了十几个关于激光器的设计方案。汤斯早就着手他的钾蒸气激光器的试验了，肖洛则致力于红宝石晶体作为激活介质的研究，贝尔实验室有人在试验以放电方法使氨气得到反转分布，期望得到连续运转的氦氖气体激光器。美国休斯公司的梅曼（T.Maiman）在1960年6月最先试制成红宝石激光器，他把一根红宝石圆柱体两端磨平镀上银，放在螺旋形氙闪光灯中，在不断增强闪光强度过程中，发现从红宝石一端输出的荧光增强，谱线宽度变窄，方向性增强，这是人类第一次得到的激光振荡。此后，各类激光器不断涌现，性能日臻完善，激光器研制成为引人注目的一个高科技领域。
4、回眸激光器发明史，汤斯惊讶：在几十年前如果有人应用受激辐射概念研究
光谱学，顺着这个方向本应该很容易制造出激光器来……汤斯由于他在微波激射器和激光器研究上的开创性工作获得1964年度诺贝尔物理学奖。激光器发明史上颇多的“意外事件”常常令人感叹!汤斯说，使他感到惊讶的是，在几十年前就有人应用受激辐射概念研究光谱学，顺着这个方向应该很容易制造出激光器来。但历史进程并非如此，激光器的发明经历了颇为曲折的过程，说它是“意外发明”一点也不过份……它是人们试图把微波激射器向更短波段推进时不得已“退”到光波段而求得的。其他人也有同感。
人们在科学探索刚起步时，常常会感到前途渺茫，路途艰险；而当达到希望的顶点时，有时却难免对自己走了坎坷的道路，为没能走捷径而遗憾和惊讶。但在事实上，攀登科学高峰几乎没有平坦的道路可走，因为科学发现、技术发明的一个显著特点就是探索性，人们认识和利用自然规律是一个十分艰难和复杂的过程，不可能遵循某条预定的，意科之中的道路实现预定的目的。它既有目的性，又有意外性，但这种意外性有时恰恰提供了机遇，提供了重要的线索，导致了新发现或新发明。汤斯等人正是善于捕捉机遇，抓住线索不放，实现重大突破的。人们在感叹之余，更多的则应从历史的进程中得到启示和借鉴，登高望远，向更高的顶点攀登。?
参 考 文 献
郭奕玲等. 物理学史. 北京: 清华大学出版社，1993
陈敬全. 激光：20世纪科学之光. 上海: 科学，2000（6）
母国光、战元龄. 光学. 北京: 人民教育出版社，1978
页数：3 字数：3599
汤斯的意外之举和激光器发明的科学探索
激光是20世纪中叶以后近二三十年内发展起来的一门新兴科学技术。它是现代物理学的一项重大成果，是量子理论、无线电电子学、微波波谱学以及固体物理学的综合产物，也是科学与技术、理论与实践紧密结合产生的灿烂成果。激光科学从它的孕育到初创和发展，凝聚了众多科学家的创造智慧，其中美国物理学家查尔斯·汤斯（C.H.Townes）所做的开创性工作尤为突出。他在量子电子学领域中的基础研究，导致了微波激射器和激光器的发明。汤斯的科学探索经历是非常值得我们学习和总结的一份珍贵的科学遗产，他的科学探索精神给进行知识创新的后人以启示和借鉴。
1、汤斯的奇想
在激光器发明史上有颇多的“意外事件”。1916年爱因斯坦提出了受激辐射概念，从事光学研究的物理学家们试图实现受激辐射以实现光的放大，但直到二次大战前，都没能如愿以偿。战后，应用微波技术研究物质结构，取得了一系列成果。1951年珀塞尔（E.M.Purcell）等人用微波波谱学的方法研究 LiF晶体内原子核磁矩构成的顺磁体系，他们用突然倒转的方法，造成了核自旋体系布居数的反转，意外地观察到 50kHz的受激辐射信号。也是在1951年，美国哥伦比亚大学的汤斯在华盛顿会议期间的一天早晨，突然想到了可以利用分子体系的受激辐射实现电磁波的振荡和放大，以缩短发射电磁波的波长，这最终导致了氨分子振荡器（也称微波激射器）的意外出现（1953年）。
汤斯某天突发奇想：能否利用分子体系的受激辐射，以实现电磁波的振荡和放大？
汤斯回忆道：“哈佛大学的珀塞尔和庞德已经实现了粒子数反转，不过信号太弱，人们无法加以利用，”并不是人们认为不能实现粒子数反转，而是没有办法放大，无法利用这一效应。他和其他物理学家都在苦思这个问题。汤斯很熟悉无线电工程，他先想到了，如果将介质置于谐振腔内，利用振荡和反馈，就可以放大。
关于他是如何构思出第一台微波激射器的，汤斯回忆他于1951年春天在华盛顿参加一个毫米波会议的情景：“很偶然，当时我正与肖洛（A.L.Schawlow）同住一个房间。后来他也参与了激光工作。我起床很早，为了不打扰他，我出去在公园旁的长凳上坐下，思考是什么原因没有制成（毫米波发生器）。很清楚，需要找出一种制作体形极小而又精致的谐振器的方法这种谐振器具有可以与电磁场耦合的某种能量。这像是分子一类的东西，要做出这样小的谐振器并供给能量会遇到多么大的技术困难？看来真正的希望在于找到一种利用分子的方法。也许正是早晨新鲜的空气使我突然看清了这个方案的可行性。几分钟内我就草拟好了方案，并计算出下列过程的条件：把分子束系统的高能态从低能态分开，并使之馈入腔中，腔中充有电磁辐射以激发分子进一步辐射，从而提供了反馈，保持持续振荡。”
汤斯选择氨分子作为激活介质，这是因为他从理论上预见到，氨分子的锥形结构中有一对能级可以实现受激辐射，跃迁频率为23870MHz。氨分子还有一个特性，就是在电场作用下，可以感应产生电偶极矩。氨的分子光谱早在1934年即有人用微波方法作出透彻研究。1946年又有人对其精细结构作了观察，这都为汤斯的工作奠定了基础。
氨分子振荡器具有极高的频率稳定度，可用作频谱标准；它只有极低的噪声，可用作灵敏度很高的放大器。汤斯的成功激起了许多人的兴趣，人们竞相研制和改进分子振荡器1956年的三能级方法实现连续运转的，以固体物质作为激活介质的微波激射器试制成功。固体微波激射器克服了氨分子振荡器作为放大器的不足，如不能连续运转，感应频率段窄，可调范围小等，其最大的优点是噪声近于零，是超灵敏的前级接收和放大器，广泛应用于宇航和通信方面。
2、走一条“意外之路”：谐振腔产生的意想不到的困难
在其他人迷恋于氨分子振荡器和微波激射器的时候，汤斯已经在朝产生更短波长的方向上努力了。他一开始的想法非常自然，只要把微波激射器的原理逐步推广，一步一步地缩短波长，例如由毫米波进入亚毫米波段，似乎就可以了。
汤斯的想法遇到了极大的困难。问题是当要产生的波长比1 cm短得多时，谐振腔的大小不应该比波长大许多，但在里面却要有足够多的被激励了的分子，这是非常困难的。对于更短的波长，谐振腔必然过大，困此会有许多复杂的振荡模式，这成为向更短波长迈进时的主要障碍。继汤斯之后，一些人也在考虑推广到产生更短波长的可能性，他们对解决谐振腔模式的困难各持已见。
谐振腔产生的意想不到的因难迫使汤斯走一条“意外之路”，他不得已放弃一步一步缩短波长的想法，决定“直接跳过去，越过毫米波和亚毫米波，直接进入波长短得多的红外和可见光区域。”汤斯迫不得已的这个“意外之举”有着高明之处，因为对毫米波和亚毫米波段人们知之甚少，而对于红外和可见光波段了解得较多，加之在可见光波段及其邻近由于对应的能量间隔较大，所以热辐射不会很快为受激原子淹没，也即要实现受激辐射更容易一些汤斯转向追求一种能在红外或可见光波段工作的激射器（以后被称为激光器），他草拟了一个设计方案，但很快发现这不是一个理想的系统，因为“振荡会在各种模式之间来回跳动。”汤斯为此深感困惑。一次偶然的机会，他去看望贝尔实验室的肖洛，在与肖洛共进晚餐时，谈起自已的设想与困难，肖洛对此表现出极大的兴趣，两人欣然决定合作。肖洛早年曾用光谱法研究原子的超精细结构，他对光学中的法布里- 珀罗干涉仪很有研究，并对固体微波激射器有着浓厚的兴趣，曾做过几项重大的改进，这些对他解决谐振腔带来的困难起到了决定性的作用。
在经过反复考虑之后，他向汤斯提出了关键性的建议：把谐振腔的大部分壁去掉，以两个相对的反射镜代替腔体，从而使得沿反射轴线传播的波起振，其余部分的波消失，肖洛实际上是以光学里的法布里-珀罗干涉仪代替谐振腔，从而解决了振荡模式的难题。
3、“意外之举”后的“预料之中”：各类激光器不断涌现，性能日臻完善
汤斯和肖洛相信他们有了适当的方案，认为利用法布里 -珀罗干涉仪作为谐振腔确实可以起到选模作用以产生极窄的激光束，制造出激光器是完全可以的。1958年12月，汤斯和肖洛联名在《物理评论》上发表了题为《红外区和光激射器》的论文。在这篇后来被誉为是激光器的奠基性的经典文献里，他们明确指出，使用分子与原子受激辐射过程的放大器与振荡器，在原理上可以推广到红外、可见光波段或更远，产生很好的单色辐射。他们详细讨论了激光器的理论问题，讨论了法布里- 珀罗干涉仪与一般微波共振腔的关系，尤其论述了用法布里 -珀罗干涉仪减少过剩波型和自发辐射的原理，最后对以钾蒸气为工作物质，钾灯为泵浦源的红外激光器进行了具体设计。
汤斯和消洛的文章把人们从谐振腔的迷宫里唤醒。人们意识到红外和可见光波段是比较容易突破的，激光器的出现已为期不远，因为主要的困难——谐振腔的困难已经被克服，许多人致力解决第二个困难——寻找合适的体系和方法实现反转分布。继汤斯和肖洛之后，接连提出了十几个关于激光器的设计方案。汤斯早就着手他的钾蒸气激光器的试验了，肖洛则致力于红宝石晶体作为激活介质的研究，贝尔实验室有人在试验以放电方法使氨气得到反转分布，期望得到连续运转的氦氖气体激光器。美国休斯公司的梅曼（T.Maiman）在1960年6月最先试制成红宝石激光器，他把一根红宝石圆柱体两端磨平镀上银，放在螺旋形氙闪光灯中，在不断增强闪光强度过程中，发现从红宝石一端输出的荧光增强，谱线宽度变窄，方向性增强，这是人类第一次得到的激光振荡。此后，各类激光器不断涌现，性能日臻完善，激光器研制成为引人注目的一个高科技领域。
4、回眸激光器发明史，汤斯惊讶：在几十年前如果有人应用受激辐射概念研究
光谱学，顺着这个方向本应该很容易制造出激光器来……汤斯由于他在微波激射器和激光器研究上的开创性工作获得1964年度诺贝尔物理学奖。激光器发明史上颇多的“意外事件”常常令人感叹!汤斯说，使他感到惊讶的是，在几十年前就有人应用受激辐射概念研究光谱学，顺着这个方向应该很容易制造出激光器来。但历史进程并非如此，激光器的发明经历了颇为曲折的过程，说它是“意外发明”一点也不过份……它是人们试图把微波激射器向更短波段推进时不得已“退”到光波段而求得的。其他人也有同感。
人们在科学探索刚起步时，常常会感到前途渺茫，路途艰险；而当达到希望的顶点时，有时却难免对自己走了坎坷的道路，为没能走捷径而遗憾和惊讶。但在事实上，攀登科学高峰几乎没有平坦的道路可走，因为科学发现、技术发明的一个显著特点就是探索性，人们认识和利用自然规律是一个十分艰难和复杂的过程，不可能遵循某条预定的，意科之中的道路实现预定的目的。它既有目的性，又有意外性，但这种意外性有时恰恰提供了机遇，提供了重要的线索，导致了新发现或新发明。汤斯等人正是善于捕捉机遇，抓住线索不放，实现重大突破的。人们在感叹之余，更多的则应从历史的进程中得到启示和借鉴，登高望远，向更高的顶点攀登。?
参 考 文 献
郭奕玲等. 物理学史. 北京: 清华大学出版社，1993
陈敬全. 激光：20世纪科学之光. 上海: 科学，2000（6）
母国光、战元龄. 光学. 北京: 人民教育出版社，1978
