微波激射器的发明

汤斯是美国南卡罗林纳人，1939年在加州理工学院获博士学位后进入贝尔实验室。二次大战期间从事雷达工作。他非常喜爱理论物理，但军事需要强制他置身于实际工作之中，使他对微波等技术逐渐熟悉。当时，人们力图提高雷达的工作频率以改善测量精度。美国空军要求他所在的贝尔实验室研制频率为24000MHz的雷达，实验室把这个任务交给了汤斯。
     汤斯对这项工作有自己的看法，他认为这样高的频率对雷达是不适宜的，因为他观察的这一频率的辐射极易被大气中的水蒸汽吸收，因此雷达信号无法在空间传播，但是美国空军当局坚持要他做下去。结果仪器做出来了，军事上毫无价值，却成了汤斯手中极为有利的实验装置，达到当时从未有过的高频率和高分辨率，汤斯从此对微波波谱学产生了兴趣，成了这方面的专家。他用这台设备积极地研究起微波和分子之间的相互作用。这时珀赛尔和庞德在哈佛大学已经实现了粒子数反转，不过信号太弱，人们无法加以利用。“并不是人们认为不能实现粒子数反转，而是没有办法放大，无法利用这一效应，”汤斯回忆说。他也和其他物理学家一起，正在苦思这个问题。
     他设想如果将介质置于谐振腔内，利用振荡和反馈，就可以放大。汤斯很熟悉无线电工程，所以别人没有想到的，他先想到了。关于他是如何构思出第一台微波激射器的，汤斯回忆他于1951年春天在华盛顿参加一个毫米波会议时的情景①：“很偶然，当时我正与肖洛（A.L.Schawlow）同住一个房间。后来他也参与了激光工作。我起身很早，为了不打扰他，我出去在公园旁的长凳上坐下，思考是什么原因没有制成（毫米波发生器）？很清楚，需要找到一种制作体形极小而又精致的谐振器的方法。
     这种谐振器具有可以与电磁场耦合的某种能量。这象是分子一类的东西，要做出这样小的谐振器并供给能量会遇到多么大的技术困难？看来真正的希望在于找到一种利用分子的方法。也许正是早晨新鲜的空气使我突然看清了这个方案的可行性。几分钟内我就草拟好了方案，并计算出下列过程的条件：把分子束系统的高能态从低能态分开，并使之馈入腔中，腔中充有电磁辐射以激发分子进一步辐射，从而提供了反馈，保持持续振荡。”汤斯在会上没有透露任何想法，立即返回哥伦比亚，把他的研究组成员召集拢来，开始按他的新方案进行工作。这个组的成员有博士后齐格尔（H.J.Zeiger）和博士生戈登（J.P.Gordon）。后来齐格尔离开哥伦比亚，由中国学生王天眷接替。汤斯选择氨分子作为激活介质，这是因为他从理论上预见到，氨分子的锥形结构中有一对能级可以实现受激辐射，跃迁频率为23870MHz。氨分子还有一个特性，就是在电场作用下，可以感应产生电偶极矩。氨的分子光谱早在1934年即有人用微波方法作出了透彻研究。
     1946年又有人对其精细结构作了观察，这都为汤斯的工作奠定了基础。汤斯设计的微波激射器如图12−4所示。他们在论文中作了如下说明②：“氨分子束从束源射出后进入聚焦电极系统。这些电极建成沿射线轴的柱形四极静电场。在反转能级中，高能态分子受沿半径方向向内的（聚焦）力，而低能态受沿半径方向向外的力，于是到达空腔的分子实际上都是高能态的。当腔内存有分子束时，空腔中感应出跃迁，从而引起了空腔能量的变化。不同频率的功率输经空腔，当速调管的频率调到分子跃迁频率时，观察到了发射谱线。“如果从分子束发射的功率足以在腔内保持足够的场强，以达到可以引起后续分子束感应跃迁的程度，就会产生自持振荡。这样的振荡已经产生，尽管功率尚未直接测出，但估计约为10⁻⁸瓦。振荡的频率稳定度可与各种可能的‘原子钟’不相上下。”汤斯小组历经两年的试验，花费了近3万美元。
     1953年的一天，汤斯正在出席波谱学会议，戈登急切地奔入会议室，大声呼叫道：“它运转了。”这就是第一台微波激射器。汤斯和大家商议，给这种方法取了一个名字，叫“微波激射放大器”。英文名为“Mi−crowave AmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”，简称MASER（脉塞）。与此同时，还有几个科学集体在尝试实现微波的放大。在苏联的莫斯科，列别捷夫物理研究所普洛霍洛夫和巴索夫的小组一直在研究分子转动和振动光谱，探索利用微波波谱方法建立频率和时间的标准。他们认定，只要人为地改变能级的集居数就可以大大增加波谱仪的灵敏度，并且预言，利用受激辐射有可能实现这一目标。他们也用非均匀电场使不同能态的分子分离，不过他们的装置比汤斯小组的晚了几个月才运转。
     另有一位美国学者布隆姆贝根（N.Bloembergen）也对微波激射器作出了重要贡献。他原是荷兰人，曾在第二次世界大战后到美国参加珀赛尔小组的核磁共振研究。1956年，他提出利用顺磁材料中的塞曼能级做成可调谐的微波激射器。特别值得提出的是他和前面两位苏联科学家利用三能级系统的思想，为后来微波激射器和激光器的发展指明了方向。不久，贾万（A.Javan）提出用非线性双光子过程进行微波放大。斯柯维尔（H.E.D.Scovil）等人在1957年实现了固体顺磁微波激射器，布隆姆贝根等人在1958年也做成了红宝石微波激射器。
     至此，激光的出现已是指日可待了。人们经过各方面的努力，为激光的诞生作好了各种准备。1958年，许多物理学家活跃在分子束微波波谱学和微波激射器的领域里，他们自然会想到，既然微波可以实现量子放大，为什么不能推广到可见光，实现光的放大？一场竞争在国际间展开，看谁最先摘下激光这顶桂冠。