激光科学六十年-编程知识

1960年5月16日，在查尔斯·汤斯（Charles Townes）和阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow）以及其他许多人早期工作的基础上，西奥多·迈曼（Theodore Maiman）发射了第一台工作激光器：粉红红宝石激光器发出了人类第一束相干光，世界从此发生了翻天覆地的变化。

阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow）

休斯研究实验室的Theodore Maiman博士在激光（模拟辐射发射光放大）中研究立方体形状的红宝石晶体，这是新型电子设备的基本元件

激光开辟的新天地激发了人们将光学应用于新问题的浓厚兴趣。这些应用的广泛程度难以言表。在第一次激光演示之后仅仅几年，产生明亮、相干光束的能力揭示了前所未有的光与物质相互作用的不寻常形式，并催生了非线性光学这一硕果累累的领域。

但这并不是故事的结束。其他科学家也不甘落后，他们中的一些人（包括肖洛）继续为激光技术做出了开创性的贡献；这些进步反过来又刺激了其他人的参与。

如今，激光在光谱学、外科手术、量子科技、生物和分子成像以及其他一系列预期和意料之外的领域找到了新的应用。随着半导体和晶体管的发现，电子学也同时得到了发展，从而产生了新的电子光学领域。

——随着新设计和新波长的出现，激光的应用范围越来越广，其实力也越来越强。

如果不了解光是一种电磁辐射形式，就不可能有激光。马克斯·普朗克因发现基本能量量子而于1918年获得诺贝尔物理学奖。普朗克从事的是热力学研究，他试图解释为什么“黑体”辐射（一种能吸收所有波长光的物体）在加热时并不能同样辐射出所有频率的光。

在他于1900年发表的最重要的著作中，普朗克推导出了能量与辐射频率之间的关系，从本质上说，能量只能以离散的小块（他称之为量子）形式发射或吸收，即使这些小块非常小。他的理论标志着物理学的转折点，并启发了爱因斯坦等后起之秀。

马克斯·普朗克

1905年，爱因斯坦发表了关于光电效应的论文，提出光也是以块状形式传递能量的，在这种情况下，离散的量子粒子现在被称为光子。

1917年，爱因斯坦提出了使激光成为可能的过程——即受激发射。他的理论认为，除了自发吸收和发射光之外，电子还可以受激发射特定波长的光。但是，科学家们在近40年后才能够放大这些发射，从而证明爱因斯坦的观点是正确的，并使激光走上了今天成为无所不在的强大工具的道路。

数年来，美国、欧洲和苏联的科学家们一直在光与物质相互作用的边缘徘徊，而两次全球战争又让他们深感分心。1940年，莫斯科动力研究所的年轻物理学家瓦伦丁·法布里坎特（Valentin A. Fabrikant）描述了粒子数反转（被激发的分子多于未被激发的分子）如何必然导致“分子放大”，也就是受激发射。

1951年6月18日，他（在苏联）申请了“一种电磁辐射放大方法”的专利。申请起初被驳回，但最终于1959年获得批准；但为时已晚，他没能获得大部分应得的赞誉。

当法布里坎特的专利在苏联官僚机构中辗转反侧时，马里兰大学的约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）于1952年首次公开描述了相干微波辐射。

随后，查尔斯·汤斯（Charles Hard Townes）从微波专家中脱颖而出，1954年，他利用氨气作为激发材料，构思并制造出了第一台工作中的maser。他还创造了“受激辐射光放大”这一术语。

查尔斯·汤斯（Charles Hard Townes）

1933年至1947年，汤斯在贝尔电话实验室工作时就开始接触微波技术，1948年从贝尔电话实验室转到哥伦比亚大学后，他的maser创意开始付诸实施。赫伯特·齐格（Herbert Zeiger）和詹姆斯·戈登（James Gordon）是他的助手，参与了maser的开发项目，他们也在maser以及最终的激光领域开创了自己的事业。

而肖洛因其在激光光谱学方面的突破而最终分享了1981年诺贝尔物理学奖。

1957年，也就是第一台工作激光器开启的几年前，汤斯的另一位助手戈登·古尔德（Gordon Gould）创造了“激光”（laser）一词，这个词显然是以maser为基础的，第一个字母代表“光”（light）。

这是戈登`古尔德（Gordon Gould）著名笔记本的第一页，他在笔记本中创造了激光（LASER）这一缩写词，并描述了构造激光的基本要素。这本笔记本是历时30年的激光专利权法庭争夺战的焦点，值得注意的是该页左上角的公证人印章，日期为1957年11月13日，这个日期戳确定了古尔德的优先权

当然，“掩蔽器”能利用长微波产生相干辐射。但是，即使这项技术已经成熟，许多人还是嘲笑说，“你可以用更小巧的红外线或可见光波长获得同样的效果！”但这并没有阻止其他人在不同程度的支持或资助下进行尝试。

在向现代激光器狂奔的人中，休斯研究实验室的西奥多·迈曼（Theodore H. Maiman）是最终的“赢家”。1960年5月，迈曼利用合成粉红红宝石制造出了第一台激光器。从此，这个领域爆炸了，谁创造了激光也引起了争论。

几个月内，各地的研究小组都在研究“光学激光器”。

从最初只是为了观察激光作用而进行的大量尝试开始，这场竞赛一直朝着许多方向发展：有的朝着新的有用激光介质发展，有的朝着新的应用领域发展。

也许并不太令人吃惊的是，1960年前后的大多数研究人员已经怀疑，相干光将成为通信、光谱学、成像、外科手术甚至显示等领域独一无二的有力工具。

1961年，Trion Instruments Inc.、Perkin-Elmer和Spectra-Physics等公司开始将激光器推向商业市场。

1962年6月，贝尔实验室报告了第一台钇铝石榴石 (YAG) 激光器。

1962年10月，纽约州锡拉丘兹通用电气公司实验室的咨询科学家Nick Holonyak Jr. 发表了他关于“可见红色”GaAsP（砷化镓磷化物）激光二极管的研究成果，这是一种紧凑、高效的可见相干光源——这就是当今CD、DVD播放器和手机等消费产品中使用的红色LED的基础。

Nick Holonyak Jr.

1963年初，Barron’s杂志估计商用激光市场的年销售额为100万美元。

同样是在1963年，Logan E. Hargrove、Richard L. Fork和M.A. Pollack首次展示了锁模激光器，即带有声光调制器的氦氖激光器。模式锁定是激光通信的基础，也是飞秒激光的基础。

随后，加州大学圣巴巴拉分校的赫伯特·克罗默（Herbert Kroemer）与俄罗斯圣彼得堡 A.F. Ioffe 物理技术研究所的鲁道夫·卡扎里诺夫（Rudolf Kazarinov）、茹雷斯·阿尔费洛夫（Zhores Alferov）团队独立提出了利用异质结构器件制造半导体激光器的想法。克罗默和阿尔费洛夫因此获得了2000年诺贝尔物理学奖。

经过两年对氦氖激光器和氙激光器的研究，休斯研究实验室的威廉·布里奇斯（William B. Bridges）在1964年发现了脉冲氩离子激光器，这种激光器虽然体积大、效率低，但可以产生多个可见光和紫外线波长的输出。

同年晚些时候，汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫获得诺贝尔物理学奖，以表彰他们“在量子电子学领域所做的基础性工作，这些工作导致了基于maser-激光原理的振荡器和放大器的制造”。

1964年，贝尔实验室的库马尔·帕特尔（Kumar Patel）发明了二氧化碳激光器。它是当时功率最大的连续运行激光器，目前在全球范围内被用作外科手术和工业领域的切割工具。

1965年，贝尔实验室首次将两束激光锁相，向光通信迈出了重要一步。

1966年，Charles K. Kao与乔治·霍克汉姆（George Hockham）一起在英国哈洛的标准电信实验室工作，他的发现为光纤技术带来了突破。他计算了如何通过光学玻璃纤维远距离传输光，并决定使用最纯的玻璃纤维，可以将光信号传输100公里：而20世纪60年代的光纤只能传输20米。Charles K. Kao因此获得2009年诺贝尔物理学奖。

1966年，法国物理学家阿尔弗雷德·卡斯勒（Alfred Kastler）因其在1949年至1951年间开发的将原子激发到更高能量状态的方法而获得诺贝尔物理学奖。这项技术被称为光学泵浦，是迈向maser和激光诞生的重要一步。

1970年春，Ioffe物理技术研究所的Alferov小组与贝尔实验室的Mort Panish和Izuo Hayashi共同研制出了第一台连续波室温半导体激光器，为光纤通信的商业化铺平了道路。

1970年，贝尔实验室的阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）发明了光学捕获技术，即用激光捕获原子的过程。他的工作开创了光学镊子和捕获领域，并在物理学和生物学领域取得了重大进展。

1972年，查尔斯·亨利（Charles H. Henry）发明了量子阱激光器，与传统的二极管激光器相比，量子阱激光器在达到激光阈值时所需的电流更小，效率也更高。1977年，霍洛尼亚克和伊利诺伊大学香槟分校的学生首次展示了量子阱激光器。

1976年，加利福尼亚州斯坦福大学的约翰·马迪（John M.J. Madey）及其研究小组展示了第一台自由电子激光器（FEL）。自由电子激光器不使用增益介质，而是使用一束被加速到接近光速的电子，然后通过周期性横向磁场产生相干辐射。由于激光介质仅由真空中的电子组成，因此 FEL 不存在困扰普通激光器的材料损坏或热透镜问题，并且可以达到非常高的峰值功率。

1977年，贝尔实验室光纤光波通信系统在芝加哥街道下完成首次商业安装。

1978年，激光视盘进入家庭录像市场，但影响不大。最早的播放器使用氦氖激光管读取介质，而后来的播放器则使用红外激光二极管。

激光视盘与CD

1981年，肖洛和布洛姆伯根因其对激光光谱学发展的贡献而获得诺贝尔物理学奖。

1982年，麻省理工学院林肯实验室的Peter F. Moulton开发出钛蓝宝石激光器，用于产生皮秒和飞秒范围的短脉冲。钛蓝宝石激光器在可调谐和超快激光应用领域取代了染料激光器。

1982年10月，音频CD首次亮相，它是激光视盘视频技术的衍生品。比利·乔尔（Billy Joel）的歌迷们欢欣鼓舞，因为他在1978年发行的专辑《52街》是第一张以CD格式发行的专辑。

1985年，贝尔实验室的朱棣文（Steven Chu，美国能源部部长，2009-2013年）和他的同事们利用激光来减缓和操纵原子。他们的激光冷却技术也被称为“光学糖浆”，用于研究原子的行为，为量子力学提供了一种见解。

朱棣文、克劳德·坦努吉（Claude N. Cohen-Tannoudji）和威廉·菲利普斯（William D. Phillips）因这项工作获得了1997年诺贝尔奖。

朱棣文

1987年，英国南安普顿大学的戴维·佩恩和他的团队推出了掺铒光纤放大器。这些新型光放大器可增强光信号，而无需先将其转换为电信号，然后再转换回光信号，从而降低了长距离光纤系统的成本。

时间来到1994年，杰罗姆·费斯特（Jérôme Faist）、费德里科·卡帕索（Federico Capasso）、德博拉·西夫科（Deborah L. Sivco）、卡洛·西托里（Carlo Sirtori）、阿尔伯特·哈钦森（Albert L. Hutchinson）和阿尔弗雷德·赵（Alfred Y. Cho）在贝尔实验室发明了第一台可同时以多个相距甚远的波长发光的半导体激光器——量子级联（QC）激光器。这种激光器的独特之处在于，它的整个结构是通过称为分子束外延的晶体生长技术一次制造一层原子的。只需改变半导体层的厚度，就能改变激光的波长。QC激光器在室温下工作，功率和调谐范围大，是大气中气体遥感的理想选择。

1994年，A.F. Ioffe物理技术研究所的Nikolai N. Ledentsov首次展示了具有高阈值密度的量子点激光器。

1996年11月，沃尔夫冈·凯特尔（Wolfgang Ketterle）在麻省理工学院演示了第一台脉冲原子激光器，该激光器利用物质代替光。

1997年，马歇尔太空飞行中心 (MSFC) 风洞设施的一名工程师在模拟X-33氢气馈线条件的冷流推进研究试验中，使用激光测量带有接头和旋转阀门的8英寸弯曲管道的速度和梯度变形。之所以使用激光，是因为它是非侵入式的，不会像探针那样干扰流动。馈线为涡轮泵提供推进剂，该项目的目的是设计馈线，以便为涡轮泵提供均匀的流量。

2003年9月，由美国国家航空航天局（NASA）位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心、位于加利福尼亚州爱德华兹空军基地的Dryden飞行研究中心以及位于亨茨维尔的阿拉巴马大学的研究人员组成的研究小组成功试飞了第一架激光动力飞机。这架飞机的框架由轻木制成，翼展1.5米，重量仅为311克。

它的动力来自于一个不可见的地面激光器，该激光器可以跟踪飞行中的飞机，并将能量光束射向机载的特殊设计的光伏电池，为飞机的螺旋桨提供动力。

罗切斯特大学的60波束OMEGA激光器自1995年起开始运行

2004年，加州大学洛杉矶分校的Ozdal Boyraz和Bahram Jalali首次展示了拉曼激光器中的电子开关。第一台硅拉曼激光器在室温下工作，峰值输出功率为2.5瓦。与传统的拉曼激光器不同，纯硅拉曼激光器可以直接调制来传输数据。

2006年9月，加州大学圣巴巴拉分校的John Bowers及其同事和英特尔公司位于加州圣克拉拉的光子技术实验室主任Mario Paniccia宣布，他们利用标准硅制造工艺制造出了第一台电力驱动的混合硅激光器。这一突破可能会在未来的计算机中实现低成本、太比特级的光学数据管道。

2007年8月，Bowers和他的博士生布莱恩·科赫（Brian Koch）宣布他们制造出了第一台锁模硅蒸发激光器，为在单个芯片上集成光学和电子功能提供了一种新方法，并使新型集成电路成为可能。

2009年5月在纽约州罗切斯特大学，研究员郭春雷宣布了一项新工艺，利用飞秒激光脉冲使普通白炽灯泡变得更加高效。激光脉冲对准灯泡的灯丝，迫使金属表面形成纳米结构，使钨的光辐射效率大大提高；这一过程可使100瓦灯泡的耗电量低于60瓦灯泡。

罗切斯特大学的郭春雷站在他的飞秒激光器前

2009年5月29日，位于加利福尼亚州利弗莫尔的劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF）是世界上规模最大、能量最高的激光器。几周后，该系统开始向目标发射全部192束激光。

这张艺术家绘制的效果图显示，NIF靶丸位于一个霍尔姆舱内，激光束从两端开口射入。激光束将目标压缩并加热到发生核聚变的必要条件。在NIF上进行的点火实验将是 30 多年来惯性约束核聚变研究和开发的结晶，为探索以前无法进入的物理状态打开了大门

2009年9月，英特尔在英特尔开发者论坛上宣布推出Light Peak光纤技术，激光准备进入家用PC。Light Peak包含垂直腔表面发射激光器（VCSEL），每秒可收发100亿比特数据，这意味着它可以在17分钟内传输整个美国国会图书馆的数据。

Light Peak模块特写，激光光源用于说明（肉眼看不到实际的红外光）

2009年11月，一个国际应用科学家团队展示了紧凑型、多波束和多波长红外激光器。通常，激光器发射的是波长明确的单一光束；而新型激光器具有多波束能力，可用于化学检测、气候监测和通信。

2009年12月，行业分析师预测，2010年全球激光市场将增长约11%，总收入将达到59亿美元。

进入2010年代，激光在尺寸、功率、脉宽、波长、方法和材料等各方面都取得了长足进展。

据《自然-光子学》1月刊报道，康斯坦茨大学的科学家利用掺铒光纤激光器产生了波长为1.5微米的4.3fs单周期光脉冲。他们表示，这种短激光脉冲将有利于频率计量、超快光学成像和其他应用。

2010年1月，西北大学马尼杰·拉泽吉（Manijeh Razeghi）教授领导的研究人员还报告了量子级联激光器效率的突破性进展，达到了53%，而之前的最佳效率还不到40%。拉泽吉说，这一效率数字意味着该设备产生的光比热多。激光器的发射波长为 4.85 微米，处于中红外区域（3至5微米），这对遥感非常有用。

3月31日，奥地利因斯布鲁克大学的Rainer Blatt和Piet O. Schmidt及其团队通过调整原子-光场耦合的强度，展示了一种具有或不具有阈值行为的单原子激光。

由两个反射镜组成的高精细光腔将离子发射的光子捕获并累积到一个模式中。离子被外部激光器周期性地激发，每个周期都会有一个光子加入空腔模式，从而放大光线

2011年，在汉斯·佐格（Hans Zogg）的指导下，苏黎世联邦理工学院（隶属于瑞士联邦理工学院）的研究人员首次制造出了垂直外腔表面发射激光器（VECSEL），该激光器可在约5μm的中红外波段工作。这一波长范围对光谱应用非常有用。VECSEL的潜力促使研究小组成员成立了一家名为Phocone的公司，以实现该技术的商业化。

2012年，耶鲁大学的一个团队创造出一种随机激光器。虽然亮度与传统激光器相当，但这些光源由无序材料制成，产生的发射空间相干性较低。研究人员布兰登·雷丁（Brandon Redding）、迈克尔·乔马（Michael Choma）和Hui Cao在4月发表的《自然·光子学》论文中说，由于这种特性可以消除噪声或斑点，随机激光器可以为全场显微镜和数字光投影带来好处。

随机激光器虽然有其优点，但也有缺点。例如，它们具有不规则和混乱的空间发射模式。2013年，维也纳技术大学教授Stefan Rotter领导的团队提出了一种控制方案。研究人员指出，特定激光器中颗粒材料的布局决定了发射方向，因为光在放大过程中会在颗粒之间来回反弹。在7月的《物理评论快报》上报告说，以与这种布局相匹配的非均匀方式对材料进行泵浦，可以用来设定发射方向，从而使随机激光器更加有用。

激光脉冲沿着光缆传播着世界上的各种信息：从金融交易到猫咪视频。洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员卡米尔·布雷斯（Camille Brès）和吕克·特韦纳兹（Luc Thévenaz）在12月发表在《自然·通讯》上的一篇论文中，展示了如何在光纤中容纳多达10倍的脉冲。

慕尼黑工业大学的贝内迪克特-迈尔（Benedikt Mayer）等人组成的研究小组展示了室温激光纳米线，它能发射近红外激光。研究人员 12 月在《自然·通讯》杂志上报告说，这种纳米线采用核壳结构，既能发光，又能充当波导。

在BELLA（伯克利实验室激光加速器）中使用的9厘米长的毛细管放电波导进行的实验产生了多GeV电子束

2014年，美国劳伦斯伯克利国家实验室的一个研究小组在12月号的《物理评论快报》上报告了紧凑型粒子加速器的新世界纪录：4.25 GeV。这是在一个9厘米长的管子中完成的，这意味着加速电子的能量梯度比传统粒子加速器大1000倍。

在2016年2月于加州圣何塞举行的SPIE高级光刻研讨会上，半导体光刻工具制造商ASML宣布，EUV（极紫外）光刻技术似乎终于准备就绪。

经过多年的发展，由于光源亮度不够而进展滞后，ASML开始采用激光产生等离子体的方法。采用这种方法时，红外线CO2激光器会向熔融锡的微小液滴发射一个集中脉冲。在对所产生的发射脉冲进行过滤后，得到了13.5纳米（即 EUV）的光脉冲。这种技术及其产生的波长比半导体生产中使用的193纳米深紫外激光短得多，是半导体制造技术不断进步的关键。

同年，卡迪夫大学、伦敦大学学院和谢菲尔德大学的研究人员在《自然·光子学》3月刊上报告说，他们在硅上生长出了量子点激光器。这些激光器采用电泵浦，发射波长为1300nm，并能在高达120 °C的温度下工作长达100,000小时。该团队表示，最终目标是将光子技术与硅电子技术相结合。

自1990年左右首次投入商业应用以来，坚固耐用的光纤激光器的功率越来越大，应用领域也越来越广，洛克希德-马丁公司为美国军方开发的一种武器就是一个例子。在2017年3月的测试中，该系统产生了58千瓦的单束激光，创下了此类激光的世界纪录。

在过去的十年中，激光器的尺寸变得越来越大、体积越来越小、功率越来越大、价格越来越低。该技术的波长数量和使用的材料范围也在不断扩大。激光已进入日常生活和其他应用领域。根据MarketsandMarkets 2018年12月的一份研究报告，截至2018年底，激光市场规模超过129亿美元。

五年过去了，如今，激光设备元件年收入约为800亿美元，启用的系统收入当然要大得多。

与自上而下推动技术突破的努力相比，激光展示了自下而上的研究管理：虽然从未有过开发激光的“曼哈顿计划”，但从实验室到大规模市场的转变还是爆炸性的。

在私人资本的资助下，有时大公司也以独立实体的形式提供资金，1960年后，多达50家新公司成立，专注于激光及其应用。

在20世纪70年代，使用康宁的光纤可以构建演示系统并发明了新型激光器，预计可靠运行时间长达100,000小时——这是通信系统的必需品。到20世纪80年代末，半导体激光器已经从实验室的好奇心发展成为战略产品；但直到90年代，随着技术的成熟和成本的下降，光纤通信系统才在全球范围内部署。

多年来，使用气体和晶体的设备不断改进，从紫外线到远红外线都能发射，从而实现了新的应用，其中医疗应用尤为突出。它们为外科手术提供了独特的新方法，并为某些手术开发了机器人系统。

在制造业，激光成为标准设备。它们最终利用紫外线激光器生产出超小型（以纳米为单位）芯片，其他新应用包括自动车辆控制和量子计算系统：激光器是许多量子计算机、量子传感器和光学时钟的重要组件。

每个量子系统都需要具有特定波长和功率水平组合的激光器

激光公司TOPTICA Photonics AG（德国慕尼黑）起源于激光冷却和原子物种光谱学，现在是量子技术所有领域激光系统的主要供应商。

图为TOPTICA Photonics开发的19英寸模块化激光器，可以满足量子应用中对紧凑而坚固的激光器解决方案的需求

PicoQuant的Prima激光模块

PicoQuant的产品Prima是一种独立的二极管激光器模块，可以以皮秒脉冲或连续波模式提供三个单独的波长。这种完全由计算机控制的激光模块可产生 635、510或450nm的激光，以满足量子产率测量以及光致发光和荧光测量。

其他瞄准量子市场的激光公司还包括NKT Photonics、SmarAct Automation等等。今年早些时候，ICV Tank曾预测，量子技术是一个潜力巨大的新兴领域，到2026年，全球激光市场规模将达到10亿美元。随着量子技术的进步、各行业采用量子解决方案以及基础设施的成熟，量子应用领域的激光器市场规模有望进一步增长。