激光之父：1964年诺贝尔物理学奖得主汤斯博士

教育家查尔斯·汤斯是微波激射器（Maser）的主要发明者和激光器（Laser）的先驱者之一，与前苏联（现俄罗斯）物理学家和微波波谱学家巴索夫以及普罗霍罗夫分享1964年诺贝尔物理学奖，还与多人共享“激光之父”之美誉。激光技术是20世纪人类的重大技术发明之一，为了纪念汤斯教授逝世1周年并寄托笔者的深情哀思，特撰写出此长文。笔者在此全面介绍了汤斯教授的生平与家庭成员；主要学术成就与贡献；与中国的渊源以及所获雅称、奖项与荣衔，重点梳理出激光技术波澜壮阔发展历程的整个脉络和概貌，还顺便简介了并非激光器的半导体发光二极管（LED）的发展概况，简明扼要地阐述了诺贝尔自然科学奖中与激光技术密切相关的有关情况。

[关键词]查尔斯·汤斯；能级（能态）；跃迁；受激辐射；微波波谱学；核磁共振；拉比树；粒子数反转；微波激射器（Maser）；量子电子学；工作物质（增益介质）；泵浦源；光泵浦；光谐振腔；激光（Laser）；红宝石激光器；激光技术；光纤通信（光通信）；网络；全息摄影术；精密测量；激光冷却技术；玻色—爱因斯坦凝聚态（BEC）；发光二极管（LED）；发明专利；诺贝尔自然科学奖

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.05.167

2.5 粒子数反转

一般情况下，粒子数反转（population inversion，又译为集居数反转、居量反转、群数反转）是产生Maser/Laser的先决条件。两能级间受激辐射概率与两能级粒子数差有关。通常情况下，处于热平衡不同能级的粒子服从玻尔兹曼分布，即处于低能级E1的粒子数大于处于高能级E2的粒子数，这种分布是粒子数的正常分布，只能得到普通光。为了得到激光，就必须使用电、光及其他方法对工作物质进行激励，设法把处于基态的粒子大量激发到亚稳态，使得高能级E2上的粒子数大大超过低能级E1上的粒子数，在受激辐射作用下，工作物质就能对某一特定波长的光辐射产生放大作用（即光放大）。这样就可在高能级E2和低能级E1之间实现粒子数的反转分布。

科学家们通过对原子能级系统的深入研究，发现能够实现粒子数反转的能级系统几乎全部可归纳为3能级系统3ELS（three energy levels system）和4能级系统4ELS（four energy levels system）两类。在3能级系统中，E0是基态能级，E1是亚稳态能级，E2是激发态泵浦高能级，在E1和E0之间产生激光。其主要特征是激光的低能级是基态，发光过程中低能级的粒子数会一直保持有相当的数量，粒子数反转的效率较低。在4能级系统中，E0是基态能级，E1是激发态能级，E2是亚稳态能级，E3是激发态泵浦高能级，在E2和E1之间产生激光。因激光的低能级是一个激发态，常温下基本上是空的，其激励能量要比3能级系统小得多，更容易获得激光。

前苏联物理学家法布里坎特（Valentin Aleksandrovich Fabrikant，1907.10.09—1991.03.03）是粒子数反转这一重要物理思想的首倡者和践行者。他在讨论气体放电的发光机理时，分析了由负吸收产生光放大的可能性，以及由此所引起的光强度增加和方向性的问题。他根据拉登堡发现的吸收系数、爱因斯坦A/B系数和粒子数分布的关系指出：要使辐射通过介质不但不衰减而且还要放大的话，就必须实现粒子数反转[1]，为此他用氦（He）的388.9 nm谱线激励铯（Cs）原子，观察到原子能级的粒子数反转现象。1940年他在博士论文中首先提出了产生粒子数反转的实现方法，这一独到见解是从爱因斯坦受激辐射理论向构思激光器技术原理迈出的极为重要的一步，因为它指明了产生激光的最重要条件。

1947年4月拉姆（又译为兰姆，Willis Eugene Lamb，Jr.，1913.07.12—2008.05.15，1955PH21）和美国物理学家雷瑟福（Robert Curtis Retherford，1912—1981）通过波谱学实验方法发现氢原子的亚稳态及其光谱线不是单一的黑线，而是由一些不连续的非常接近的谱线系列组成，后来人们把氢原子光谱的这种双线结构称为拉姆位移（Lamb shift）。在他俩发表关于氢原子光谱精细结构的著名论文的一个附注中指出通过粒子数反转可以期望实现感应辐射（induced emission），即受激辐射。[2～3]他俩的兴趣只是在氢原子的精细结构方面，并没有把负吸收和自持振荡联系起来，仅是在论文中添加一个附注而已，故将此说成是受激辐射的第一个实证是不妥当的。1950年拉姆明确提出气体放电中的电子碰撞可以改变粒子的集居数。

粒子数反转这一思想至关重要，然而当时在人们的心目中，认为这是不可思议的。因为在热平衡条件下，低能级粒子数总是比高能级粒子数多，实现粒子数反转就必须破坏热平衡，故粒子数反转思想当时并未引起人们的重视。

1948年珀塞尔有意识地研究了磁场中各子能级的集居数。1950年珀塞尔和美国物理学家庞德（Robert Vivian Pound，1919.05.16加拿大安大略省—2010.04.12）利用微波波谱学的方法研究氟化锂（LiF）晶体中原子核磁矩构成的顺磁体系，为了更进一步地弄清楚磁共振信号的来源和增强微波信号，他俩特意采用突然反向静磁场法。当外磁场极性改变比核自旋—晶格弛豫时间短得多时，出现了锂原子（Li7）核自旋体系集居数的反转，发生了负吸收现象，意外地观察到频率为50 kHz的受激辐射。这是受激辐射首次直接被实验所证实，也直接给出了受激辐射发生的前提是要实现粒子数反转。为了解释这种现象，珀塞尔和庞德首先提出“负温度”（negative temperature）概念，并把粒子数反转称为“负温度”状态。[4]负温度不是表示比绝对零度还低的温度，而是描述从零到正无穷的开氏温标所不能描述的状态。

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