激光是怎么发明的？
晶体管的发明是第二次世界大战后最激动人心的科技产品，极大地推动了20世纪下半叶人类社会的发展和物质文明的进步。然而，巧合的是，在这个时期，诞生了另一项重要的科技发明，那就是微波激射器和激光器。在微波激射器和激光的发明中，运用了20世纪量子理论、无线电电子学、微波光谱学和固体物理学的丰富成果，也凝聚了一大批物理学家的心血。这些物理学家中有许多在贝尔实验室工作，其中最杰出的是美国物理学家C.H .汤斯
唐斯，美国南卡罗来纳州人，1939在加州理工学院获得博士学位后进入贝尔实验室。二战期间从事雷达工作。他很喜欢理论物理，但军方需要强迫他参与实验工作，让他逐渐熟悉微波等技术。当时人们试图通过提高雷达的工作频率来提高测量精度。美国空军要求他的贝尔实验室开发一种频率为24000兆赫的雷达，实验室把这项任务交给了唐斯。
唐斯对这项工作有自己的看法。他认为这么高的频率不适合雷达，因为他观察到的这个频率的辐射很容易被大气中的水汽吸收，所以雷达信号无法在太空中传播，但美国空军当局坚持让他去做。结果，这个仪器被制造出来了，它没有任何军事价值，却成了唐斯手中极为有利的实验装置，达到了当时从未有过的高频率和高分辨率。唐斯对微波光谱学产生了兴趣，并成为这一领域的专家。他利用这个设备积极研究微波与分子的相互作用，取得了一些成果。
1948年，唐斯遇到了拉比，一位哥伦比亚大学的教授。拉比建议他去哥伦比亚大学。这正是唐斯想要的，于是他进入了哥伦比亚大学物理系。他从1950开始就是那里的正教授。雷达技术涉及微波的发射和接收，微波是指频谱介于红外和无线电波之间的电磁波。在哥伦比亚大学，唐斯继续孜孜不倦地致力于微波和分子相互作用这一重要课题。
唐斯渴望一种能产生高强度微波的装置。普通设备只能产生长波无线电波。如果我们打算用这种装置来产生微波，装置结构的尺寸必须非常小，因此实际上不可能实现。
1951年的一天早上，唐斯坐在华盛顿市一个公园的长椅上，等待餐厅开门吃早餐。然后他突然想到，如果用分子代替电子电路，不就可以得到波长足够小的无线电波了吗？分子有各种形式的振动，其中一些就和微波波段的辐射一样。问题是如何将这些振动转化为辐射。就氨分子而言，在适当的条件下，每秒振动2.4×1010次，因此有可能发射波长为114 cm的微波。
他设想可以通过热或电的方法将能量送入氨分子中，使氨分子处于“激发”状态。然后，想象这些被激发的分子处在一个微波束中，和氨分子的固有频率一样。在这种微波束的作用下，氨分子以相同波长的微波形式释放能量，反过来作用于另一个氨分子，使其也释放能量。这种非常微弱的入射微波束相当于触发了雪崩，最后会产生非常强的微波束。这样，就有可能放大微波束。
唐斯在公园的长椅上思考这一切，并在一个用过的信封背面记录了一些要点。汤斯的团队经过两年的实验，花费了近3万美元。1953年的一天，唐斯正在参加一个关于光谱学的会议。他的助手戈登急不可耐地冲进会议室，喊道:“起作用了。”这是第一个微波激射器。唐斯和大家一起讨论，给这种方法起了个名字，英文叫“辐射受激发射的微波放大”，简称MASER。
微波激射器有许多有趣的用途。氨分子的振动是稳定而精确的，其稳定而精确的微波频率可以用来测量时间。这样看来，微波激射器实际上就是一个“原子钟”，其精度远远高于以往所有的机械计时器。
1957年，唐斯开始思考设计一种能产生红外线或可见光而不是微波的脉泽的可能性。他和他的妹夫A.L.Schawlow在1958发表了这方面的论文。论文的题目是“红外区与光学脉泽”，主要论证了将脉泽技术扩展到红外区和可见光区的可能性。
罗晓1921出生于美国纽约州。从多伦多大学毕业后，他获得了硕士和博士学位。第二次世界大战后，罗晓在拉比的建议下，在唐斯手下做博士后，研究微波光谱学在有机化学中的应用。他们两人写了一本名为《微波光谱学从65438到0955》的书，是这方面的权威著作。当时，肖洛是贝尔实验室的研究员，唐斯是那里的顾问。
1957年，当罗晓开始考虑如何制造红外线微波激射器时，唐斯来到贝尔实验室。一天，当他们在吃午饭时，唐斯谈到了他对红外和可见光激射器的兴趣。有没有可能穿越远红外，直接进入近红外或者可见光区域？近红外区相对容易实现，因为当时已经掌握了很多材料的特性。Sholo说他也在研究这个问题，并建议法布里-珀罗标准具作为谐振腔。两人谈得很投机，相约* * *一起研究。唐斯把他关于光学脉塞的笔记交给了罗晓，其中包含了一些想法和初步计算。罗晓和唐斯的论文于1958年2月发表在《物理评论》上后，引起了强烈反响。这是激光发展史上一份重要的历史文献。因此，托马斯以1964获得了诺贝尔物理学奖，罗晓也以1981获得了诺贝尔物理学奖。
在Sholo和Towns理论的指导下，许多实验室开始研究如何实现光学脉塞，并致力于寻找合适的材料和方法。他们的想法启发了T.Maiman制造出第一台激光器。
梅曼使用红宝石棒来产生间歇性的红色脉冲。这种光是相干的，传播时不会扩散，几乎永远保持为窄光束。这样的光束即使射到32万公里外的月球上，光斑也只会延伸到两三公里的范围。它的能量消耗很小，所以人们很自然地想到向月球表面发射光脉冲光束来绘制月球的地形图。这种方法远比以前的望远镜有效。
大量的能量集中在一个非常窄的光束中，这样它也可以用于医学(例如，在一些眼科手术中)和化学分析，它可以蒸发物体的一个小点，从而进行光谱研究。
这种光比过去产生的任何光都要单色。光束中的所有光都具有相同的波长，这意味着这种光束经过调制后可以用来传输信息，这与普通无线电通信中的调制无线电载波几乎完全相同。因为光的频率高，所以它的信息容量比给定频段内频率更低的无线电波要大得多，这就是利用光作为载体的优势。
可见微波激射器是大家熟悉的激光器，激光器的英文名也可以音译为laser，是“辐射受激发射光放大”的缩写。
迈曼是美国休斯研究实验室量子电子部门的年轻主任。1955获得斯坦福大学博士学位。他研究微波光谱学，在休斯实验室研究微波激射器，研制出红宝石微波激射器，但需要液氮冷却，后来改用干冰冷却。麦曼率先在红宝石激光器上取得突破绝非偶然，因为他有多年用红宝石做激射器的经验，他预见到了用红宝石做激光器的可能性。这种材料具有很多优点，如能级结构简单、机械强度高、体积小、不需要低温冷却等。不过当时他从文献上知道红宝石的量子效率很低，如果是这样的话也没什么用。麦曼又找了其他材料，都不理想，就想根据红宝石的特性找类似的材料代替。为此，他测量了红宝石的荧光效率。出乎意料的是，荧光效率为75%，接近1。梅曼喜出望外，决定用红宝石作为激光元件。
通过计算，他意识到最重要的是要有一个高色温(约5 000 K)的强光源。起初，他想象着把红宝石棒放在一个带水银灯的椭圆形圆筒里，这样就有可能启动它。然而，转念一想，他决定使用氙(Xe)灯，而不是连续操作。麦曼查询了目录，根据产品的技术指标选择了通用电气公司生产的闪光灯。用于航拍，有足够的亮度，但这种灯是螺旋结构，不适合椭圆柱聚光器。他想到了另一个巧妙的方法，将红宝石棒插入螺旋灯管。红宝石棒直径约1 cm，长2 cm，刚好放入灯管内。红宝石两端蒸镀银膜，银膜中间留一个小孔让光线逸出。光圈的大小由实验决定。
就这样，经过9个月的奋斗，麦曼花了5万美元做出了第一台激光器。然而，当麦曼将他的论文提交给《物理评论快报》时，被拒绝了。这本杂志的主编误以为这还是玉米，没必要再以快递的形式发表了。麦曼不得不在《纽约时报》上宣布这一消息，并寄给英国《自然》杂志发表。
梅曼发明红宝石激光器的消息立即传遍了全世界。于是氦氖激光诞生了。
He-Ne激光器是这三四十年来广泛使用的一种激光器。它是一种以气体为工作介质的激光器，出现在固体激光器旁边。它的诞生首先应归功于多年来测试和分析气体能级的实验以及从事这项研究的理论工作者。到20世纪60年代，光谱学家已经对所有这些稀有气体进行了详细的研究。
但氦氖激光要应用到激光领域，需要这方面的专家进行有目的的探索。是托马斯的学校再次启动了这项事业。他的另一个研究生，来自伊朗的Javan，有自己的想法。贾万的基本思路是利用气体放电实现粒子数的反演。
佳万第一次选择氦气和氖气作为工作介质，是一个非常成功的选择。初始激光束是红外光谱1.1.5微米。氖有很多谱线，后来常用6 328埃。为什么嘉万选择65 438+0.65 438+0.5微米而不是6 328埃？这也是贾的杰作。根据计算，他了解到6 328 A的增益比较低，所以他宁愿选择更有把握的1.15微米。如果你一上来就走6328埃的红线，你肯定会失败。
贾万和他的合作者把有13层蒸发介质膜的平透镜放在一个直径为1.5cm，长80cm的石英管两端，放在一个放电管里，用射频激励。调整两个平面镜的方位花了六到八个月的时间。1960 65438+2月12终于拿到了红外辐射。
1962年，贾万的同事怀特和里基得到了6 328埃的激光束。这时，激光的调整已经积累了丰富的经验。里格罗德和其他人改进了氦氖激光器。他们把反射器从放电管内部移到外部，避免了复杂的过程。根据布儒斯特角固定窗口，然后把反射镜做成等半径的焦凹面镜。
氦氖激光器至今仍在使用。在各种激光器中，氦氖激光器可能是最受欢迎和应用最广泛的一种。继红宝石激光器和氦氖激光器之后，效率更高、功率更大的二氧化氮激光器和耐用、灵巧、方便的半导体激光器接踵而至，如雨后春笋般涌现，成为现代高技术的重要组成部分。