1959年10月，32歲的西奧多·梅曼（Theodore Maiman）只是一名籍籍無名的年輕物理學(xué)家。當時，他正著手利用一顆粉紅色的紅寶石晶體，制造出被稱為“光學(xué)激射器”（optical maser）的東西。項目開始得并不順利。梅曼所在的實驗室的其他人紛紛質(zhì)疑這項研究的意義。然而，梅曼的堅持證明了他們都是錯誤的。

　　1960年5月16日，梅曼成功創(chuàng)造出了一種自然界沒有的光，徹底改變了歷史的進程。在此之前，光的研究都仍限于對來自恒星、蠟燭、電燈等光源提供的照明。這些光源都包含大量以獨立、隨機的方式釋放儲存的能量的原子或分子，這是一種被稱為自發(fā)發(fā)射的過程。而梅曼則成功地讓原子以一種協(xié)調(diào)的方式釋放它們的光，在他所設(shè)計的裝置中，一個原子的發(fā)射會誘發(fā)其他原子的發(fā)射，這便是所謂的受激發(fā)射，標志著通過受激輻射產(chǎn)生的光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）——激光（LASER）的誕生。

梅曼與他的激光器（1960年7月）。| 圖片來源：Wikipedia梅曼與他的激光器（1960年7月）。| 圖片來源：Wikipedia

　　激光的橫空出世并不能歸結(jié)于一個人的發(fā)明創(chuàng)造，而是幾十年的科學(xué)觀察和想法的結(jié)晶。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）提出了光子存在的假設(shè)。他利用光同時具有波和粒子的性質(zhì)，成功地解釋光電效應(yīng)，這是一種電子因為光入射到金屬板上而從表面溢出的效應(yīng)。1917年，他開始思考光子是如何從原子中發(fā)射出來的問題。在一篇題為《輻射的量子理論》的論文中，他提出了原子與光子的相互作用可能存在三個不同的過程：吸收（即一個原子吸收一個光子并獲得能量，成為激發(fā)態(tài)的過程）、自發(fā)發(fā)射（即一個受激原子通過釋放一個光子而失去能量的過程）、受激發(fā)射（即一個受激原子在另一個光子的激發(fā)下釋放出一個光子，而失去能量的過程）。

　　1953年，物理學(xué)教授查爾斯·哈德·湯斯（Charles Hard Townes）與他的研究生詹姆斯·戈登（James Gordon）和赫伯特·蔡格（Herbert Zeiger）制造出了第一個可運行的微波激射器（MASER），這是一種可以發(fā)射出相干的微波輻射脈沖的設(shè)備。與此同時，蘇聯(lián)的尼古拉·巴索夫（Nikolay Basov）和亞歷山大·普羅霍羅夫（Aleksandr Prokhorov）也獨立研發(fā)出了他們自己的版本，可以發(fā)射連續(xù)的微波光束，而不是一系列的脈沖。

　　在MASER出現(xiàn)之后，許多研究人員開始轉(zhuǎn)向制造出這種設(shè)備的“可見光”版本，其中就包括湯斯以及貝爾實驗室的阿瑟·倫納德·肖洛（Arthur Leonard Schawlow）。最初他們稱這種設(shè)備最初被稱為“光學(xué)激射器”。這種新設(shè)備的挑戰(zhàn)在于尺寸，可見光的波長比微波的要短得多，而器件的設(shè)計需要與波長相當，這極大地增加了新器件的制造難度。盡管如此，貝爾實驗室還是在1958年成功申請了第一項關(guān)于光學(xué)激射器的專利。大約在同一時間，哥倫比亞大學(xué)的一位名叫戈登·古爾德（Gordon Gould）的學(xué)生發(fā)表了現(xiàn)在被稱為“激光”的想法。

1957年，古爾德在實驗室筆記的第一頁中定義了“激光”一詞。| 圖片來源：AIP Emilio Segre Visual Archives1957年，古爾德在實驗室筆記的第一頁中定義了“激光”一詞。| 圖片來源：AIP Emilio Segre Visual Archives

　　1960年，在休斯研究實驗室工作的梅曼成為了第一個創(chuàng)造出可運行的激光設(shè)備。它將一種合成的紅寶石晶體作為受激發(fā)射的介質(zhì)，紅寶石晶體被制作成立方體的形狀，它會吸收光線。梅曼在紅寶石的兩端添上了一層銀鏡，其中一層比另一層更薄，可以讓一些光以光束的形式逸出。他用一根閃光管來給晶體的原子提供能量，并將整個裝置放置在一個拋光過的鋁管中。最終，他成功的讓裝置發(fā)射出高亮度、高強度的單色紅光脈沖。激光時代從此到來。

1960年，梅曼在《自然》雜志上發(fā)表的論文。| 圖片來源：Wikipedia1960年，梅曼在《自然》雜志上發(fā)表的論文。| 圖片來源：Wikipedia

　　梅曼將這一成果發(fā)表在《自然》雜志上，題為《紅寶石中的受激光輻射》（Stimulated Optical Radiation in Ruby)。這篇文章中只含有兩張簡單的圖，總字數(shù)不到300。而且有別于現(xiàn)代的許多重要發(fā)表，這篇文章甚至沒有一個結(jié)尾段落來暢想這一發(fā)現(xiàn)有可能導(dǎo)致怎樣的科學(xué)和技術(shù)進步。在文中，梅曼所提供的設(shè)備設(shè)計圖非常簡單。60年過去了，科學(xué)家和大眾都已將激光以及激光的諸多應(yīng)用視作所當然的事，這在一定程度上導(dǎo)致許多人忽視了激光在科學(xué)研究中所起到的關(guān)鍵作用。

　　自1960年以來，許多諾貝爾物理學(xué)獎被授予了激光領(lǐng)域或由激光做出的成果的領(lǐng)域。梅曼本人曾兩次被提名諾貝爾物理學(xué)獎，卻從未獲獎；1964年，湯斯、巴索夫，以及普羅霍羅夫獲得該獎，以表彰他們在量子電子學(xué)領(lǐng)域所做的基本工作，導(dǎo)致了基于激光原理的振蕩器和放大器的構(gòu)建。1966年，阿爾弗雷德·卡斯特勒（Alfred Kastler）因其光泵技術(shù)再次獲獎。

　　不久之后，大量不同的制造激光的新機制開始涌現(xiàn)。在20世紀后半葉，激光成為了研究、醫(yī)藥和工業(yè)的重要工具。在過去的20多年里，更多的諾貝爾獎被授予了因為激光的使用而成為可能的科學(xué)技術(shù)。例如，利用超高速激光進行精確的頻率測量的光學(xué)頻率梳，它在計量、光譜學(xué)和天文學(xué)等領(lǐng)域等具有廣泛應(yīng)用；再比如光鑷是另一種利用激光的新技術(shù)，它可以用于拾取和移動微小的粒子。2018年的諾貝爾物理學(xué)獎再一次頒發(fā)給了激光物理學(xué)，獲獎?wù)咧话⑸ぐ⑹步穑ˋrthur Ashkin）就是光鑷的發(fā)明者，另外兩名獲獎?wù)邿崂瓲枴つ卖敚℅érard Mourou）和唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）則為創(chuàng)造出最短且最強的激光脈沖鋪平了道路。

　　激光的出現(xiàn)給我們帶來無數(shù)美好的驚喜，它以前所未有的方式揭示了光與物質(zhì)的不同尋常的相互作用，并催生了非線性光學(xué)這一碩果累累的科研領(lǐng)域。從梅曼在1960年5月16日首次成功使用激光至今，整整60年過去了。在過去的60年中，激光在光譜學(xué)、外科手術(shù)、生物學(xué)和分子成像以及一系列其他領(lǐng)域都得到了重要應(yīng)用，為科學(xué)和社會帶來革命性的變化。

　　參考鏈接：

　　http://www.cambridgeblog.org/2020/04/a-brief-history-of-lasers-60th-anniversary-of-the-laser/

　　https://www.osa.org/en-us/history/milestones/laser_60th/

　　https://www.nature.com/articles/s42254-020-0181-9

　　https://doi.org/10.1038%2F187493a0

　　https://physicsworld.com/a/six-decades-of-laser-science/

　　https://www.wired.com/2008/05/dayintech-0516-2/