微波激射器与激光器的诞生

科学史

微波激射器与激光器的诞生刘元希1 984,年 1月当阿尔弗雷德

译,

卡塞勒教授去世前不久这位因光泵浦获得

19防

年

诺贝尔奖的物理学家把一篇评 M

.

伯特洛蒂的《波激射器与激光器》的文章交给微

a N’ t

九娜这里发表的是它的节编e, s r这个词 1 9 5年创始于汤斯 1,,

,

。

o

a

作为受激(激光器 )则

“

同事的实验所证明

。

特别是拉顿伯格与考夫艾发现,、

,

辐射微波放大器的首字母缩略词,

”

。

a e l s

r

在氖放电时关于提高电流强度负色散变得更加玉要与能级布居比相应的温度必须包括远比原子。

,

l .是同法缩略而成的不过把光(首字母t

”

)代替了微波,

电子动

(首字母 m, )’“

。

在著名的 1 9 5,

8a

年物理评沦》中谢洛e sr

《

力学温度较高时所达到的值如果那些作者继续他们的研究并扩展到对氢的研究他们也许可能得到布居 r反转 (1“e和 m重新提及 )。

一和汤斯的论文已经使用光 m

这个词

它在语义

,

,

上是没有意义的

不过想逐字地表示,,

“

光微波放,

一

a

e s

r

作用的一个先决条件后面我将,

,

大

…刀的意思,

。

顺便提一下这些器件的最有价值的,

正象伯特洛蒂所提及的那样后来谢洛很,,

特性并不是放大尽管在微波和光学领域为了这一目的它们已被广泛应用,

可能认为拉顿伯格和海森堡并没有在反常色散方面继续他们的研究因为他们如此确切坚信离开它而竟然到了负吸收的地步那是不可能的,。

但只是自持振荡所以我们ae s和 ls r !,

,

应该有争议地称之为然而,,

。a s那 ea

问题是比 m

由r和 la o e老多了 r

它的前。

把二十世纪三十年代

身的发展情况开始于该两过程所示,

19 1 6

~

1 9 17

年爱因斯坦的两篇

的概念已牢固确立

论文两文定出了辐射的自发发射与诱发发射的区别

开来的二十年里了光泵浦,。

,

—磁共振问题已经解决了而且还导入,

负—那时受s激发射与展分隔 r同韶e和 la的发功er,

吸收

并不象大家熟悉的麦克斯韦理论那样,,。

虽则它们没有直接的关系。

但是所得到的,

产生球面状波而只是好象一个指向性高的辐射形式当受激光加强其强度时自发发射具有同样的方向性

,

知识对发展激光是很有用

的

顺便提一下伯蜻各蒂加,

关于磁的经典理论的短短的历史笔记没有提到年皮埃尔19 0 2

189 5

但是这种发射不能同激励相一致储;

,

因为不允许能的存。

居里关于物体的磁性命题“

,

他还错误地把。,

倒是原子发射体必须在运行区域前面的四分之一,

年正在发展中的自旋概念归之于泡利但是磁,。

”

周期内原因。。

已由梅斯林的试验所证实,,

爱因斯坦没有提

的不同类型的复杂历史比起书本中所记载下来的需

及受激发射的相干性据推测这就是推迟激光发明的原子与光之间的动量转移的早在。

作更全面的说明终,

早在十九世纪五十年代,

,

酝酿中的发展前历史告。

很清楚是起决定作用

。a *

r

a r和 l o的历史正式开始 m a e的原理是: sro,

190 9

年爱因斯坦已经对它作了十分详尽的,

在纽约哥伦比亚大学由汤斯所由巴索夫和普洛霍洛夫,

在莫斯科莱比德夫研究

调查

作为一个工作假设,。

他提出光可以认为是粒子,

在马里兰大学由约瑟,,

维

(我们的光子 )被认为是一种局部异常电磁场的能被

勃各自独立开发的公布一年。

。

19 5 2

年握太华大会上维勃首先一

集中在那里这些粒子由电磁波波导当它们前进时互相起着作用因此干扰衍射等波的特性在爱因。,、

“

”

,

e当众提出了 m a s r的原理他的讲演全文一年后付印

汤斯及其同事,

,

关于氨,

m“O r

的著作发表于

斯坦心目中都是这些粒子的集休特性,

。

但在光与荷电。

9 1 5年。

比巴索夫和普洛霍洛夫同题著作的第一版晚“

粒子的研究中这种思想都不能过分强调,

据伯特洛蒂的文章

对一种利用受激发射产生1 95 2

光的吸收与发射同反常色散现象间的重要联系,

,

微波的器件在理论上指出其可能性的讲话是

年

也许并不十分明显克莱默斯和海森堡的色散公式事实上是包含负色散这个名词的它同负吸收相连,,

五月在全苏射电光波学会议上作的产生相干电磁辐射,

,

但是……它们第。

“

,

“

,

一次写成的论文则公布于 1 9 5 1年十月

”

换句话说就是受激发射

。

这些名词已由拉顿伯格及其

必须满足三个条件:受激发

射必须足够地强以保证超过介质吸收;必须产生适当,

浦技术是本世纪五十~

七十年代由我们巴黎研究小组+二位年轻热情的研究生在琼,,,

的布居反转条是一致的

;。

必须使用适当的共振腔至于最后一条,

。

事实上前面两

布罗塞尔的指导下开。

,

在微波领域内的共振腔,

发的这一合作是我获得诺贝尔奖的来源在《应用光学》杂志的最早一篇论文中祛朗西斯述了这一发展。

刚好是一只形式适当的金属箱

它通常是一端由活塞。

皮特全面评

封闭着的圆筒跃迁的频率。

致使适当的振荡模能配合原子或分子

琼

布罗塞尔也已放弃了对此事的原。

单模的工作状况到比较简便,

有观篇先于基态光泵浦的双共振法是由光产生光共振和由射倾线圈产生磁共振的结合象伯特洛蒂提及并观察到一种汉,

至于激光据谢洛和汤斯 1 5 3年在其十分重要的 9论文中指出,

,

适当的共振腔是一只法布里拍罗干涉,

一

9的意大利物理学家费密和拉斯蒂已经早在 1肠年在

仪如果法国人对激光所作贡献有任何可资提及的话那就是法布里拍罗共振腔是圆筒形的。

光学共振时把振荡磁场应用于原子l勒效应 (H ua“

,

一

。

本世纪初法布里同拍罗。

,

6

讨

fo e

) t (共振光的消偏振他的嗯绪回密,

在马赛大学开发了他们这种仪器,,

这种装置的共振腔

忆录》为伯特洛蒂所引用拉斯蒂写道:费密指出由于汞共振谱线用 2/,,

两块平行圆面的直径按惯例大于其间隔。

3

朗德因子显示,

距离这里我应该离开主题简单谈一下祛布里和拍罗

了一种反常的塞曼效应

汞原子应该更便于用高于拉.、

的前辈鲍罗舒 1 8 9 3年他在《物理》杂志 (法文 )上发表了一篇关于出现于银质薄膜上的极细条纹的描述,,,

摩进动频率 2/

3

倍的频率运行为了两者间的取舍可一.

他

由原子进动频率的近似共振中以每秒几兆周频率如此看来,

说掌握了两反射面间距离的适当值可以分离出黄色钠光的不同成分。

高斯左右强度的磁场对消偏振行为进行研究而决定19 2 5,

,

:‘

为了适当选择膜板的厚度”

,

可以分,

年布罗塞尔双共振实验的思想已一。

辨出二个环形系统 9 131,

;

他还指明线形可以用空气作用19 2 9

,

为费密想到过但是这种场(工 ZG )在实际应用上是不足以产生任何值得注意的共振的

进

行解释鲍罗舒那时是一位公立中学的教师年我也在该校任教。,,

~

并与比我年长的鲍罗舒相18 9 0

布罗塞尔和我经过有关皮特方法对汞的受激态研究的尝试失败后的信件交往法。

处后来他离校了,

188 9

与

年查尔士,

,

法布里

,

各自独立得出了这一方.

也在该校任教并与鲍罗舒同过事但从未提及过鲍梦

194 9

年布罗塞尔正在麻省理工学院皮特实验室工此后布罗塞尔继续完。

舒的研究先于他,

。

就我所知

,

只有托伦斯基引用过鲍

作

,

我们一起公布了这个原理,

罗舒的著作但是他在参考文献中也出了个错 (把 1 8 9 3

成了相应的实验并发表了它的结果,,、

在我 1 9印年的一

年误为

190 6

年)一

。

论文中提出用偏振光辐照在原子基态中改变磁性,,

现在让我们想一想布居反转是怎样得来的,

在汤许多

态布居如果偏振是直线的将在大小 m,

态 (调整 )间

斯的第一台氮微波激射器中利用分子束把分子激发成高能级状态,

发生变化如果偏振是环形的 (左或右手 )那将有利于,

由一个不均匀电场使分子分离,,

。

或负或正的,问过德国。

一

态原子的集中,

。

著名的实验已经使用过这种原子束技术人能够记起它是路易斯一

但是有多少

当还是一名青年学生时我就有机会于 1 9 2年访

邓那叶 1 9 1

9

年在巴黎所发。

在那里我买了桑默费尔德的书,,

,

我如饥如人

明的?另一个在微波领域取得布居反转的好办法是从

渴地读那本书感到兴趣。

“”对选择定则和偏振法则这一节特别

布洛恩伯琴开发三级微波激射器中得来的六个不同程序已经用于引发激光器的工作,。

在这一节里桑默费尔德的波兰研究生,。

经常使人感到惊奇,

罗宾诺维茨对这一论点做了总结定则和法则的一种应用

光学泵浦正是这种,

的是一种单纯的气体释放能够发生所需要的不平衡态犹如他在氢激光中那样在其他方法中想起电子碰撞化学反应和、

一

。

我们回,

9 1 1 5年布罗塞尔离开祖国六年之后回到巴黎其

195 9

年贾范激光计划,

它

中三年是同托兰斯基一起在里彻斯特工作

,

另外三年我们

们导致第一台气体激光器可能连续工作展。、

使用两种气

则是同皮德一起在麻省理工学院 (美国和英国科学家可能难

以想象战争年代在法国的科学隔离状况;

体的激光器后来在大功率二氧化碳激光器方面有所发伯特洛蒂的那本书在第四五六章中全面讨论了。、

被隔离在盟国之外需要 )。

,

同时也没有同德国科学家接触的,

这些技术

布罗塞尔对国外科学的进展有一个善良的希。

最后光泵浦可能使用于布居反转的取得过程梅,

。

望并且熟知恢复我们的研究所必需的装备特别是振

,

因孟用这种方法靠铬离子在一块红宝石晶体中产生了

荡器和光电倍增管以发展双共振和光泵浦技术

我们

第一束激光

。

对此我也许可以提出自己的看法光泵

,

。

(下转 5 1页 )

开始运动之后它们就不会返回到它们的初始状态它们自由地继续它们的运动,。

,

。

的确这些观点需要证实因为不管怎样以致于我不后悔向读者提出了上述观点H〔 e。:。‘P o艺 ea 7蓉: F

,

,

,

它们是,

而且依然是真正的假设:对这些问题的兴趣如此之大。

好了我们的自由意志并非随意地选择它们;它追求一个完全确定的目的所要求的答案的原子。。

因此,

,

可动的原子并非无论,

o:‘,

。 d a t艺,

5

f o

e S e坛o

ee

〕

什么样的原子;它们是我们可以合理地期望从中得到于是可动原子经受碰撞从而,

(上接 4 6页)

使它们进入它们之间的组合我的比喻是很粗糙的使我的思想得以理解不管情况如何些组合,,

或者与在它们的进程中。,

的开支是由法国国家科研中心支付的

。

撞击到的其他静止的原子形成组合我再次请求原谅,。

回想起我们永远不希望再在受激发射方面继续工

但是我不知道如何用其他方法

作下去的那段时光

,

我是感激伯特洛蒂的,,,

。

我们的目

标所要改变的不是能而是原子的角动且或是它们的基态或是它们的受激态振转变的检测二a s er。

有形成机遇的组合仅仅是这样一。

从而能以高精度计算对磁共

即其中的元素至少有一个是由我们的自由意

我是因射频共振的光学方法的发展而生年诺贝尔物理学奖已经授予了、

志自由地选择出的那些原子之一些组合中,

现在很明显在这。

,

,

获得诺贝尔奖的 (1 9 6a e和l s,

可以找到我所谓的有效的组合。

也许这是,

r

的先驱汤斯,

巴索夫和普洛霍

洛夫 )

。

一种减少原来假设中的悖论的途径还有另外的意见。

尽管如此全部“

我的相片在刊物上出现时所用的标题是,,

我们仅应用固定的法则,,

a 1决

r

之父

马上在法国科学院门前我的一席讲演。

,

作出了有点冗长的运算无意识的工作永远也不会为我们提供这个结果法。。

反驳了这一点

但是看来没有办法抑制这种继续周期我深感遗憾的是琼。

我们可能以为完全自动的下意,

性出现的谎报

,

布罗塞尔没有同

识的自我特别适于这种工作望找到预先作出的乘积,

这是一种全部机械的方,

我分得诺贝尔奖,

也许我们夜晚思考乘法因子以

我们醒来时必定希。

伯特洛蒂由于诸如创建自由电子激光器而继续他的新发展并在结论一章考察了光的统计学特性那‘”,

咸者还希望代数运算,

如证明,

无意地被—可种事从这些作出来从无意识的工作的根本没有这灵感中。

识

—正如观察所证明

例

是对相千辐射与不相干辐射都十分异常的d,

。

这方面的。

材料同该书前 i部分相比在数学上更为需要没有给大众化应用地位,、

的成果中人们可望得到的一切只是这样的运算的出,

m a s

e

a s r和 l阳 r以更不要的 s_

发点

。

至于运算本身,

,

必须在紧随灵感之后的有意识,

,

那是一件憾事,

,

因为它们已经成了更奇异的 E,、

的工作的第二个期间完成

人们在此期间验证这一灵。

具在物理学方面是理所当然的但是在计量学;,

天文,

感的结果

推出它们的结论。,

这些运算的法则是严格、

学医学和工业上亦复如此不要忘记激光还能谈密纹唱片哩 I作者虽则仅是简短地提到这样的应用是对这一领域的观察今天仍旧敞开但

的和复杂的

它们要求纪律注愈力意志,

、

,

因而要求

意识

。

相反地在下意识的自我中则是由我所说的自,

由统治着

倘若我用自由这个名称称呼绝对缺乏纪律.

用仍有待于将来?

—也许最佳照应激光的作用在使加勃关于全息相。

的

和源于机遇的混乱的话

不过

,

这种混乱本身却容许

术的计划成为现实一事也被简单提及了:

我们希望最。

未曾料到的组合观察材料时,

。

新的大功率激光将永远不被用作外太空武器:

最后对,。

我将作

最后的评论

当我在上面发表某些个人的,

出版者进一言如果注释和参考文献能够汇集在书末而不是分散在每一章的末尾将会更加方便读者,

我谈到我在不由自主地工作时的令人激不过大脑的反。

动的夜晚的情况中

。

这样的情况是经常发生的

让我们不要把行文停留在否定的说明上吧

,

伯特

常活动不必要由我曾提到的物质刺激物引起,

在这样

洛蒂的这本书是有关 m前重要史实的一页,

a

e s

r

a e和l s

r

的发展及其诞生

人们在他无意识的工作中呈现出的东西似,

大多数读者将享受他包括科学在。

平可以部分地被过分激动的意识所领悟改变无愈识的工作的木性解了两种机制果。

可是这并不以,

内的简短特写,

。

因为他的书给我们的不仅是有关物理,

于是

,

我们不甚明确地理,

学的同时也是物理学家的一篇十分逗人的特写虽则它不是以非科学家为读者对象但是其他领域的科学,

说种—如的你愿意的话也可在我看来区么自我的工作方法—别是什而且我从中能够作出的心理学观察材料似乎在它们的总轮。

是两

,

家还是可以听清楚它所讲的故事

因为它一般避免了

复杂的数学推理

。

廓上证实了我已经提出的观点

。

N〔

a

e t“犷

,

1 9 8 5年 7月 2 5日号〕