[前言]作为一直在激光领域工作的我,今天(5月5日),要特别纪念第一台激光器的发明者希尔多梅曼(Theodore H.Maiman),因为今天是梅曼的逝世纪念日。为此,我特地将关于梅曼的一些资料收集收拾整顿成文,用以纪念第一台激光器的发明者希尔多梅曼。

纪念第一台激光器发明者希尔多梅曼

华中科技大学激光加工国家工程研究中心许德胜激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人的总称的又一重大发明,被称为"最快的刀""最准的尺""最亮的光"和"奇异的激光"。它使许多人终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程,从而获得产生、放大相干的红外线、可见光线和紫外线(以至X光和γ射线)的能力。激光科技的鼓起使人的总称对光的认识和利用达到了一个崭新的程度。

2007年5月5日,西方强国物理学家、世界上第一台激光器的发明者希尔多梅曼(Theodore H.Maiman)因病于加拿大温哥华的不列颠哥伦比亚大学逝世,享年79岁。

梅曼1927年7月11日出生于加州洛杉矶,是一个电气工程师的儿子。父亲希望他成为一位医生,但他认为对激光的研究将对医学产生更大的影响。尽管梅曼小时候是一个野性难驯的孩子,但他的数学非常好。在1949年从科罗拉多大学硕士毕业后,梅曼来到斯坦福大学攻读博士研究生,并于1955年获得博士学位,他的导师是于1955年获得诺贝尔物理学奖的拉姆(Willis E.Lamb)。

早在1916年,爱因斯坦提出的受激辐射概念就奠定了激光的理论基础。直至1951年,西方强国物理学家珀塞尔和庞德在实验中乐成地实现了粒子数反转,并获得了每秒50千赫的受激辐射。稍后,西方强国物理学家查尔斯汤斯以及苏联物理学家马索夫和普罗霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激辐射原理来产生和放大微波的设计。然而上述的微波波谱学理论和实验研究大都属于"纯科学",对于激光器到底能否研制乐成,在当时还是很渺茫的。1954年,西方强国物理学家汤斯终于制成了第一台氨分子束微波激射器(简称气体脉塞),乐成地开创了利用分子和原子体系作为微波辐射相干放大器或振动器的先例。

汤斯等人研制的微波激射器只产生了1.25厘米波长的微波,功率很小。生产和科技不断发展的需要鞭策科学家们去探索新的发光机理,以产生新的机能优秀的光源。1958年,汤斯(C.H.Townes)与姐夫阿瑟肖洛(A.I.Schawlaw)将微波激射器与光学、光谱学的理论知识结合起来,发表了著名论文《红外与光学激射器》,提出了接纳开式谐振腔的要害性提议,发展了涉及激光的概念,并预想了激光的相干性、标的目的性、线宽和噪音等性质。同期,巴索夫和普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案。

今后,世界上许多实验室都被卷入了一场激烈的研制竞赛,看谁能乐成制造并运转世界上第一台激光器。

当时在西方强国洛杉矶休斯飞机公司(Hughes Aircraft Company)工作的梅曼告诉老板,他希望能够制造一台激光器,但因为当时其他著名实验室都没有做出什么令人振奋的成果,休斯公司还是希望他在计算机方面进行一些"有用"的工作。但梅曼坚持要进行研究,并以辞职相威胁。最终公司给了他9个月的时间,5万美元和一位助手。

在全世界顶尖的实验室都争夺第一个发明激光器的环境下,梅曼从Arthur L.Schawlow和Charles H.Townes两位学者在他们1958年发表的红外光子辐射理论中得到启发,在1960年5月15日,乐成制成了世界上第一台可操作的波长为0.6943微米的红宝石激光器。他将直径1cm、长2cm的红宝石两端先镀上银膜,在其一端开个孔眼让激光输出,将红宝石晶体放在螺旋氙闪光灯中,然后将他们放进高反射的圆筒内,创造出了相干脉冲激光光束,这一成果后来震惊了全世界。这是人的总称有史以来获得的第一束激光,梅曼因而同样成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。

不外,梅曼在发表文章时并拂逆利。他先把论文投到《物理评论快报》(PRL),但当时的编辑Sam Goudsmit认为这只是又一篇maser反复工作的文章,因此拒绝发表。后来梅曼终于将文章发表在《自然》杂志上。

梅曼是幸运的,因为在通向胜利的道路上,前人已经扫清了主要的璋碍;然而他又是艰辛的,他是在许多人认为是最没有希望的地方突破的,因为科学家们一直在注视和期待着的是氦氖激光器。

从梅曼发明激光的过程,我们可以得到三点启示:

1.有研制固体脉塞的实践经验

他在斯坦福大学攻读博士学位期间,自己下手研制出一套包括电子学、微波和光学仪器在内的测量系统,用来测量氦原子的光谱结构。取得博士学位往后,到休斯公司工作。当时正值汤斯发明氨脉塞后不久,休斯公司对脉塞也非常感兴趣,要梅曼研制一台脉塞,供军方使用,不要求采取任何先进技术。开始他想多做些基础性研究,对这类实用性器件不大热情。后来还是接受任务,下决心研制一台实用性很强的脉塞。当时脉塞有两个使用时很不方便的问题,一是固体脉塞需要液氦冷却,二是需要5000磅的磁铁。

当时做脉塞的材料很多,要算红宝石最好,因为它结实,不像其它材料容易碎裂。他用红宝石做成一个小腔,在其两端涂上银粉,在一端的银粉上挖一个小耦合孔。不用庞大的磁铁,而是将一块小的永世磁铁置入杜瓦中。结果脉塞工作非常好,总重不是5000磅,而是25磅,并且更加稳定,其增益带宽因数比原来高10倍。后来又做出总重不到4磅的脉塞,其机能很高,乃至只要用液氮冷却就足够了。因此,是他研制出一台用液氮冷却的固体脉塞。

2.有不迷信权威的勇气和深厚的理论基础

50年代末期,在微波激射器问世和光波激射器(激光)的可能性提出往后,各国科学家竞相研制激光器。正当理论物理学家发表文章,争论用什么要领和材料获得激光的时候,梅曼重视权威提出的问题,但不迷信权威。当时贝尔实验室的肖洛和西屋公司的韦德做了一些测量,认为红宝石的量子效率很低。肖洛在国际量子电子学集会上做了一个家喻户晓的评论:红宝石不适于激光运转,因为对于三能级的红宝石要得到增益,首先要将一半以上的原子从基态泵浦到高能态,那是很坚苦的。韦德发表文章说红宝石的量子效率只有1%。如果这是真的,当然不能指望红宝石出激光。当这些不雅点传到技术研究集团公司(TRG)和贝尔实验室,正在从事红宝石激光研究的小组纷纷下马,将红宝石放进柜子。梅曼则不然,不是下马,而是认真对待,用红宝石做一个实验模型来演示各种征象。通过实验和分析计算,发现红宝石的量子效率不是1%,而是75%左右。这就是梅曼研制激光器时,他选择红宝石作激光材料的理由。这个之外,他还认识到红宝石有许多优点:一是结实;二是可在室温条件下工作;三是能级结构简略;四是体积可以做得很小;五是可出可见光,出激光后,可直接看出来。于是,梅曼信心大大增强,决心集中研究红宝石激光器。

通过计算,梅曼知道高温泵浦灯是至关重要的。他想起闪光灯的温度高达8000k,是脉冲工作的,因此,他想为何一定要要研制连续激光器,脉冲激光器不是很好吗?实际中需要很多脉冲器件,例如雷达。因此,他决定选用脉冲氙灯作泵浦光源。因为当时闪光灯没有直管的,只有螺旋式的,并且只有通用电气公司的FT503,FT506和FT624三种型号的螺旋氙灯比力适合。对每种型号的氙灯,梅曼都买了几支,第一台激光器实际用的是最小的一种--FT506。原来研制红宝石激光器已下马的单位,得知梅曼乐成的消息后,重操旧业,都接纳FT503,不到一个月都仿制出红宝石激光器。

3.有不怕风吹浪打、克服各种坚苦的勇气

在研制激光的过程当中,梅曼遇到过许多坚苦,其中有些坚苦自食其力努力是可克服的。像前边先容的激光本身的坚苦,要将激射从微波提高到光波,波长要缩短10000倍,当然坚苦是很大的。再如条件上的坚苦,另外激光研究小组,研究人员都是二三人,经费从50万到100万美元不等,而梅曼则几乎单枪匹马,9个月经费只有5万美元。靠他精打细算和加倍努力的工作,这些坚苦也都一一被克服了。另有一种坚苦,那就是舆论压力。尽管自己如何努力,也无法制止和克服它。在休斯公司,当时搞任何新的和差别的研究,本来阻力就很大,当激光还未乐成时,蜚语蜚语不断向他迎面扑来。休斯人问:公司投资研究激光,值得吗?谁知道他能不能做出激光来?谁知道激光是以什么情势出现!已经有人在前边,你(梅曼)值得他们在做什么吗?肖洛说过红宝石不能出激光,你的技术路线是错误的,等等。这些蜚语蜚语不但没有把他吓倒,反而使他更加顽强。

在第一台激光器获得乐成后,梅曼又继续对激光器在医学疗治上的应用进行研究,尽管当时的公众认为这是一种"致死"的光线。不外,因为休斯公司并没有再对激光器的潜在应用进行更多的投入,梅曼选择了离开并于1961年创办了自己的Korad公司。在1976年他将Korad卖给Union Carbide后,加入了航宇公司TRW。

终其一生,梅曼获得了无数的奖励。梅曼两次获得诺贝尔和平奖提名,并获得了物理学领域著名的日本奖和沃尔夫奖。他还于1984年被列入"西方强国发明家名人堂"(National Inventors Hall of Fame)。在《自然》杂志一百周年纪念的一本书中,诺贝尔物理学奖得主汤斯将梅曼的论文称为该杂志100年来发表的所有精彩论文中"字字珠玑的最重要的一篇"。但梅曼认为自己是"一个研究兴趣在光电、激光、预示器和空气动力学的科学家和工程师"。

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