1959年10月，32歲的西奧多·梅曼（Theodore Maiman）只是一名籍籍無(wú)名的年輕物理學(xué)家。當(dāng)時(shí)，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(xiàng)目開(kāi)始得并不順利。梅曼所在的實(shí)驗(yàn)室的其他人紛紛質(zhì)疑這項(xiàng)研究的意義。然而，梅曼的堅(jiān)持證明了他們都是錯(cuò)誤的。

　　1960年5月16日，梅曼成功創(chuàng)造出了一種自然界沒(méi)有的光，徹底改變了歷史的進(jìn)程。在此之前，光的研究都仍限于對(duì)來(lái)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(dú)立、隨機(jī)的方式釋放儲(chǔ)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(guò)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(jì)的裝置中，一個(gè)原子的發(fā)射會(huì)誘發(fā)其他原子的發(fā)射，這便是所謂的受激發(fā)射，標(biāo)志著通過(guò)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(lái)源：Wikipedia梅曼與他的激光器（1960年7月）。| 圖片來(lái)源：Wikipedia

　　激光的橫空出世并不能歸結(jié)于一個(gè)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(ài)因斯坦（Albert Einstein）提出了光子存在的假設(shè)。他利用光同時(shí)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?yàn)楣馊肷涞浇饘侔迳隙鴱谋砻嬉绯龅男?yīng)。1917年，他開(kāi)始思考光子是如何從原子中發(fā)射出來(lái)的問(wèn)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(gè)不同的過(guò)程：吸收（即一個(gè)原子吸收一個(gè)光子并獲得能量，成為激發(fā)態(tài)的過(guò)程）、自發(fā)發(fā)射（即一個(gè)受激原子通過(guò)釋放一個(gè)光子而失去能量的過(guò)程）、受激發(fā)射（即一個(gè)受激原子在另一個(gè)光子的激發(fā)下釋放出一個(gè)光子，而失去能量的過(guò)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(gè)可運(yùn)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(shí)，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(dú)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(kāi)始轉(zhuǎn)向制造出這種設(shè)備的“可見(jiàn)光”版本，其中就包括湯斯以及貝爾實(shí)驗(yàn)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(jiàn)光的波長(zhǎng)比微波的要短得多，而器件的設(shè)計(jì)需要與波長(zhǎng)相當(dāng)，這極大地增加了新器件的制造難度。盡管如此，貝爾實(shí)驗(yàn)室還是在1958年成功申請(qǐng)了第一項(xiàng)關(guān)于光學(xué)激射器的專利。大約在同一時(shí)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(shí)驗(yàn)室筆記的第一頁(yè)中定義了“激光”一詞。| 圖片來(lái)源：AIP Emilio Segre Visual Archives1957年，古爾德在實(shí)驗(yàn)室筆記的第一頁(yè)中定義了“激光”一詞。| 圖片來(lái)源：AIP Emilio Segre Visual Archives

　　1960年，在休斯研究實(shí)驗(yàn)室工作的梅曼成為了第一個(gè)創(chuàng)造出可運(yùn)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(huì)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(lái)給晶體的原子提供能量，并將整個(gè)裝置放置在一個(gè)拋光過(guò)的鋁管中。最終，他成功的讓裝置發(fā)射出高亮度、高強(qiáng)度的單色紅光脈沖。激光時(shí)代從此到來(lái)。

1960年，梅曼在《自然》雜志上發(fā)表的論文。| 圖片來(lái)源：Wikipedia1960年，梅曼在《自然》雜志上發(fā)表的論文。| 圖片來(lái)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(jiǎn)單的圖，總字?jǐn)?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(méi)有一個(gè)結(jié)尾段落來(lái)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(jìn)步。在文中，梅曼所提供的設(shè)備設(shè)計(jì)圖非常簡(jiǎn)單。60年過(guò)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(dāng)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(lái)，許多諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(jiǎng)，卻從未獲獎(jiǎng)；1964年，湯斯、巴索夫，以及普羅霍羅夫獲得該獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)诹孔与娮訉W(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(jiǎng)。

　　不久之后，大量不同的制造激光的新機(jī)制開(kāi)始涌現(xiàn)。在20世紀(jì)后半葉，激光成為了研究、醫(yī)藥和工業(yè)的重要工具。在過(guò)去的20多年里，更多的諾貝爾獎(jiǎng)被授予了因?yàn)榧す獾氖褂枚蔀榭赡艿目茖W(xué)技術(shù)。例如，利用超高速激光進(jìn)行精確的頻率測(cè)量的光學(xué)頻率梳，它在計(jì)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(dòng)微小的粒子。2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)再一次頒發(fā)給了激光物理學(xué)，獲獎(jiǎng)?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(jiǎng)?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(qiáng)的激光脈沖鋪平了道路。

　　激光的出現(xiàn)給我們帶來(lái)無(wú)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(guò)去了。在過(guò)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(huì)帶來(lái)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/