激光的设想

50年代初，尽管微波激射器还刚刚兴起，已经有人开始考虑在比微波波长更短的范围内实现量子放大。上面提到的苏联科学家法布里坎特在1951年就曾向苏联邮电部提出一份专利申请书，题目叫：“电磁波辐射（紫外光、可见光、红外光和无线电）放大的一种方法，特点是被放大的辐射通过一种介质，用其他方法和辅助辐射使相当于激发态的高能级上的原子、其他粒子或系统的浓度增大，超过平衡浓度。”可是这项申请直到1959年才得到批准和发表。看来，这项建议即使在苏联也没有起到显著影响。
     在美国，1956年狄克（R.H.Dicke）发展了一个概念，叫“超发光”（superradiance），还提出了“光弹”（optical bomb）的设想，里面包含了粒子数反转的思想。所谓超发光，是指当激发脉冲过后，由于自发辐射会产生一极强的光。同时他还在专利申请书中提出了运用法布里−珀罗干涉仪作为谐振腔的设想。不过，这项申请书是在1957年才批准的，对公众的影响不大。最先发表激光器的详细方案是汤斯和肖洛。1957年他们开始考虑“红外和可见光激射器”的可能性。肖洛1921年生于美国纽约，在加拿大多伦多大学毕业后又获硕士和博士学位。第二次世界大战后，肖洛在拉比（I.I.Rabi）的建议下，到汤斯手下当博士后，研究微波波谱学在有机化学中的应用。
     他们两人1955年合写过一本《微波波谱学》①，是这个领域里的权威著作。当时，肖洛是贝尔实验室的研究员，汤斯正在那里当顾问。1957年，正当肖洛开始思考怎样做成红外激射器时，汤斯来到贝尔实验室。有一天，两人共进午餐，汤斯谈到他对红外和可见光激射器很感兴趣，有没有可能越过远红外，直接进入近红外区或可见光区。近红外区比较容易实现，因为当时已经掌握了许多材料的特性。肖洛说，他也正在研究这个问题，并且建议用法布里−珀罗标准具作为谐振腔。两人谈得十分投机，相约共同攻关。汤斯把自己关于光激射器的笔记交给肖洛，里面记有一些思考和初步计算。汤斯原来考虑选铊（Tl），在以玻璃为壁的四方盒中，充有铊作为工作介质，用铊灯的紫外线照射以激发铊原子，使它从基态6p跃迁到高能态6d或8s。
     对于汤斯这一构思，肖洛进行分析。他认为这个方案不容易实现，因为铊原子低能态的空出时间要比高能态的填充时间慢，无法实现粒子数反转。肖洛在许多数据表中查找，希望能使振荡器满足要求，最后选择了硷金属的钾。钾也不很理想，因为它并不稳定，选钾的原因是因为钾光谱中有两条是可见光。再就是谐振腔。肖洛想了各种方案，其中包括利用衍射光栅作为谐振腔腔壁，后来才选定法布里−珀罗式的结构。肖洛在做研究生论文时就熟悉光谱方法，尤其擅长运用法布里−珀罗干涉仪。他很欣赏法布里−珀罗干涉仪的特点，其选频特性是如此之尖锐，竟可以把空腔里大多数振荡模滤掉，达到选模目的而不至于跳模。
     不过，后来他实际上只利用了两个平行反射镜，让光在中间往复反射，已经失去了光谱学上的意义。前面讲过狄克在肖洛之前也想到利用法布里−珀罗干涉仪。肖洛显然不是从他那里得到的启发，因为狄克的设想当时并没有发表，何况肖洛想到的远比狄克具体，肖洛还想到要让两面反射镜中有一面可以透光。1958年春，汤斯和肖洛决定将自己的理论分析写成论文，并申请专利。在申请专利时，竟遭到贝尔实验室专利办公室负责人的拒绝，他认为光对通讯不会有什么重要性，不涉及贝尔实验室的利益。只是由于汤斯的坚持，才作了申请并于1960年获得批准。
     肖洛和汤斯的论文1958年12月在《物理评论》上发表后，引起强烈反响。这是激光史上有重要意义的历史文献。汤斯因此于1964年获诺贝尔物理奖。这篇论文的题目叫：《红外区和光学激射器》①，主要是论证将微波激射技术扩展到红外区和可见光区的可能性。他们建议：有选择地增大某些模的Q值，从而增强选择性。他们从理论上对振荡条件作了推导，并且举例说明产生振荡的可能性。文中具体报导了肖洛以钾作的初步实验。他们提出还可以利用铯作工作介质，靠氦谱线进行激发。他们也考虑到了固体器件，然而并不十分乐观，因为固态谱线一般较宽，选模会更困难，而可利用的频率合适的抽运辐射又很有限。
     他们表示：“可能还有更美妙的解答。也许可以抽运到亚稳态以上的一个态，然后原子会降到亚稳态并且积累起来，直到足以产生激射作用。”在肖洛和汤斯的理论指引下，许多实验室开始研究如何实现光学激射器，纷纷致力于寻找合适的材料和方法。汤斯和他的小组也在用钾进行试验。他的小组成员里有一名高反膜专家，是英国人， 叫海文思（O.S.Heavens）。汤斯深知腔镜是整个系统的关键问题，希望靠这位专家解决技术问题。然而实验仍然归于失败。看来，由于反射镜处于谐振腔内部，离子不断轰击造成膜层退化，即使反射镜的质量再高也无济于事。在贝尔实验室，肖洛开始研究把红宝石当作工作介质的激光器。他对固体器件很有信心，认为：“在气体中所作到的任何事情，在固体中都能做得更好。”但是他在工作中犯了一个错误，误以为红宝石的R线（即6934Å与6929Å）不适于产生激光。
     他在1959年第一届国际量子电子学会议上报告说：“在绿色区有一条宽吸收带，在紫外区也有几条。当经这些吸收带激发时，晶体发射出几条深红色的窄带（近于7000Å），两条最强的线（6919Å和6934Å）相应于回到基态，所以低能态上原子总是较多，而并不适于激光行动。但最强的伴线（7009Å）……回到更低的能态，在液氦温度下一般是空的，也许有用……固体脉塞可以做得特别简单。基本上它就是一根棒，一端全反射，另一端也差不多是全反射。侧面保持光泽，以便接收抽运辐射。”肖洛没有做成红宝石激光器，却启示梅曼（T.Maiman）做出了第一支激光器。