（一）激光
激光是20世纪中叶以后近二三十年内发展起来的一门新兴科学技术。它是现代物理学的一项重大成果，是20世纪量子理论、无线电电子学、微波波谱学以及固体物理学的综合产物，也是科学与技术、理论与实践紧密结合产生的灿烂成果。激光科学从它的孕育到初创和发展，凝聚了众多科学家的创造智慧。他们的探索精神，值得我们认真学习和总结。
爱因斯坦提出受激辐射概念
激光的理论基础早在1916年就已经由爱因斯坦奠定了。他以深刻的洞察力首先提出了受激辐射的概念。所谓受激辐射的概念是这样的：处于高能级的原子，受外来光子的作用，当外来光子的频率正好与它的跃迁频率一致时，它就会从高能级跳到低能级，并发出与外来光子完全相同的另一光子。新发出的光子不仅频率与外来光子一样，而且发射方向、偏振态、位相和速率也都一样。于是，一个光子变成了两个光子。如果条件合适，光就可以象雪崩一样得到放大和加强。特别值得注意的是，这样放大的光是一般自然条件下得不到的“相干光”。
爱因斯坦是在论述普朗克黑体辐射公式的推导中提出受激辐射概念的。这篇论文题为《辐射的量子理论》，发表在德文《物理学年鉴》上。爱因斯坦在玻尔能级理论的基础上进一步发展了光量子理论，他不但论述了辐射的两种形式：自发辐射和受激辐射，而且也讨论了光子与分子之间的两种相互作用：能量交换和动量交换，为后来发现的康普顿效应奠定了理论基础。
不过爱因斯坦并没有想到利用受激辐射来实现光的放大。
因为根据玻尔兹曼统计分布，平衡态中低能级的粒子数总比高能级多，靠受激辐射来实现光的放大实际上是不可能的。
因此在爱因斯坦提出受激辐射理论的许多年内，这个理论并没有太多运用，仅仅局限于理论上讨论光的散射、折射、色散和吸收等过程。直到1933年，在研究反常色散问题时才触及到光的放大。
负色散的研究
色散理论早在1900年就由特鲁德建立，能够解释一部分实验结果。但它是建立在经典电磁理论上的，与玻尔的稳态原子模型有矛盾，所以在一、二十年代里陆续有一些学者致力于用量子理论说明色散现象，其中包括德拜和索末菲。到了1928年，德国光谱学家拉登堡得到了一个折射率n随波长λ变化的量子理论公式。拉登堡和他的合作者在1926—1930年做了一系列实验，研究氖的色散，观测色散随放电电流密度变化的情况。
到了1940年，苏联有一位物理学家在做博士论文时注意到了负吸收。他在博士论文中写道：“对于分子（原子）的放大，N2/N1大于g2/g1是必需的。尽管这一集居数（即粒子数）之比在原则上可以达到，但迄今尚未观测到这种情况。”他显然已经预见到了利用某种辅助手段使高能级的“浓度”大于平衡态下的“浓度”。这位物理学家叫法布里坎特。他虽然没有具体实现自己的方案，但作为粒子数反转这一物理思想的倡导者，他的贡献是不应忽视的。
磁共振的研究
1946年，瑞士科学家布洛赫在斯坦福大学研究核磁感应，他正是因为这项发现后来在1952年与珀赛尔共获诺贝尔物理奖。实验中他和他的合作者观察到了粒子数反转的信号。他报告说：“正如我们所期望的……信号一直保持原来的正值。然而几秒钟后信号变小了，消失了，然后以负值出现，又过了几秒钟达到最大的负值。在外界条件固定的情况下出现信号的异常逆转表示质子自旋重新取向的渐变过程”。
布洛赫一心想的是如何精确测定原子的弛豫时间，没有把这一新现象联系到集居数问题，更没有想到要利用这一现象来实现粒子数反转。直到1958年才有人重新研究并运用于二能级固体微波激射器。
1947年，兰姆和雷瑟福在关于氢的精细结构的著名论文中加有一个附注，指出通过粒子数反转可以期望实现感应辐射（即受激辐射）。
1973年，兰姆回顾往事时写道“当时负吸收的概念对我们来说是新颖的，我们又不知道先前的文献……我们没有把负吸收与自持振荡联系到一起。”
“不过，即使我们这样做了，至少还有三个因素会使我们发明不成脉塞：1.我们的兴趣集中在氢的精细结构上，2.预期的吸收（增益）很小，其正负可疑，3.在我们用的频率上很容易实现振荡。”
1948年，核磁共振的另一位发现者珀赛尔有意识地研究了磁场中各子能级的集居数。1951年他和合作者第一次在实验中实现了粒子数反转，观察到了负吸收。他们首先提出了负温度的概念。珀赛尔发现LiF晶体在50kHz附近会产生零场谐振，时间很长。于是将这晶体置于磁场中并突然令磁场反向，反向的时间比自旋-点阵的弛豫时间要短得多。
因此在磁场换向时，核自旋的组态还来不及改变，这时就发生了负吸收（即辐射）。
1949年，法国物理学家卡斯特勒发展了光泵方法，为此他获得了1971年诺贝尔物理奖。所谓光泵，实际上就是利用光辐射改变原子能级集居数的一种方法。他原来的目的是要建立一种用光探测磁共振的精密测量方法，没有想到可以实现粒子数反转，更没有想通过这一途径进行光的放大。不过，他的工作为以后的固体激光器提供了重要的抽运手段。
由于第二次世界大战中雷达得到广泛运用，微波技术发展很快，微波器件充分发展，磁共振方法因而得到研究，光泵方法也大显身手。微波波谱学发展起来了，也就为发明微波激射放大器（脉塞）准备了充分条件。
1952年，韦伯在著名光谱学家赫兹堡主持的受激辐射讨论会上得到启示，产生了利用受激辐射诱发原子或分子，从而放大电磁波的思想。他提出了微波激射器的原理。韦伯的方法后来并没有实现，但是他的论文对汤斯产生了影响。
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：“很偶然，当时我正与肖洛同住一个房间。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和博士生戈登。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-crowaveAmplificationby Stimulated Emissionof Radiation”，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，贾万提出用非线性双光子过程进行微波放大。斯柯维尔等人在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。
激光的设想
20世纪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年狄克发展了一个概念，叫“超发光”，还提出了“光弹”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》，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，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。