第六十七章神奇之光
激光的發明
千百年來，人們希望改造普通光。1960年7月，世界上第一台固體紅寶石光量子放大器誕生
，激光由此發明並得以廣泛應用。
能級躍遷強光會聚
1916年，大物理學家愛因斯坦提出了光受激輻射的理論，認為處在高能級的原子會向低能級
遷，同時放出一個光子。這個光子就會激發它鄰近的另一個相同能級的原子發光，發出的光
子又會引起別的原子輻射，這樣在一個極短的時間裏，就會激發出非常多的光子。在一刹那
間把光放大千百億倍。
1951年，美國的物理學家湯恩斯在美國華盛頓召開的物理學會議上，提出了利用受激輻
射放大微波的構想，從而為激光器的發明奠定了理論基礎。與此同時，前蘇聯物理學家巴
索夫和普羅霍洛夫也在進行同樣的工作。
1954年，湯恩斯等人為獲得相幹輻射，發明了第一架波長為125厘米的氨分子氣體微波量
子放大器Master，它的譯音為“脈澤”。
1957年，固體微波量子放大器問世。這類器件具有低噪音、高靈敏度的優點，在遠
程微波雷達、人造衛星、射電天文學、通信、遙測和遙控等現代科學技術中應用潛力極大。
因此，它們在理論和技術上發展神速，很快便從實驗室步入實用。
微波量子放大器的發明和發展，為激光的問世奠定了堅實的物質基礎。因為激光器實質上就
是一台光波段的量子放大器。
1958年，美國科學家肖洛和湯斯發現了一種頗為奇怪的現象：當他們將閃光燈泡所發射的光
照射到一種稀土晶體上時，晶體的分子會發出鮮豔的、始終會聚在一起的強光。根據這一現
象，他們提出了“激光原理”：物質在受到與其分子固有振蕩頻率相同的“能量”激勵時，
都會產生這種不發散的光——激光。可以說，“激光原理”的提出是光學史上的一個裏程碑
。正是在它的基礎上，人們才製成了真正的激光器。
寶石受激神光誕生
1958年，湯恩斯、巴索夫和普羅霍洛夫幾乎同時提出了把受激輻射放大推
進到光頻的設想，建立了把微波量子放大技術擴展到光波段的理論。他們因此共同獲得了
1964年的諾貝爾物理學獎。
此後，受激輻射振蕩器從微波逐漸擴展到光波段。
1960年7月，世界上第一台固體紅寶石光量子放大器被美國科學家梅曼在實驗室試驗成功。
時，他用剛王中摻入鉻離子(即紅寶石晶體)的晶體作工作物質。梅曼選用這種材料時也曾猶
豫過，當時，有人指出，不能指望用紅寶石晶體作為激光的工作物質，原因是按紅寶石晶的
能級結
構和特性，需要的泵浦強度極高，技術上不容易達到。還有人認為，紅寶石的發光量子效
率低，隻有1%左右。於是，梅曼也曾考慮采用堿金屬蒸氣作工作物質，但分析對比後，發現
利用這
種蒸氣作工作物質遇到的難度更大，而梅曼在研製微波激射器時曾用過紅寶石晶體，對它的
光學特性多少有些了解，所以，他決定先采用紅寶石晶體作試驗，從中了解有關對工作物質
的具體要求，再和材料科學家合作，研製新的工作物質。
梅曼通過重新測量紅寶石晶的量子效率發現，其不是他人文章中提到的1%，而是高達
75%(後來實驗中還達到了100%)，他又分析了使紅寶石晶體達到能級粒子反轉的條件，發現
隻要有等價於5000K黑體輻射光源泵浦就能使能級粒子反轉，而氙燈的色溫可以達至8000K。
所以，在技術上當時是完全可以做到。經過這些分析，梅曼堅定地選用了紅寶石晶體作他的
放大
器工作物質。這台放大器所以用的泵浦源——脈衝氙燈是螺旋形，紅寶石棒直徑1厘米，長2
厘米，它剛好可以套入螺旋氙燈在紅寶石兩端的鍍銀膜，構成諧振腔。
梅曼接通電源，打開開關，一束耀眼的神奇紅光射了出來，它的亮度竟不可思議地是太陽表
亮度的4倍。梅曼成功了，他製造出了世界上第一台光量子放大器。光量子放大器其實就是
激光放大器，這種神奇之光被稱為“激光”或“鐳射”。
光量子放大器製出後，激光器一躍成為世界上最令人注目的新發明。