汤斯，1915 年生于美国北卡罗来纳州格林威尔。16 岁就进大学攻读物理 学和语言学，24 岁那年获得物理学博士学位。汤斯几乎对每样事件都感兴 趣，他是一个达·芬奇式的人物——一位多才多艺的科学家。他除了以物理 学家和教授闻名外，也是一位潜泳运动员、旅行家、兰花栽培家和语言学硕 士，他还是教学唱诗班的歌手，曾当过哥伦比亚大学附近一所教堂的执事。 汤斯一踏上社会，就碰上第二次世界大战。那时，整个国家都忙于为战争服 务。年轻的汤斯一心想从事理论物理学的研究，却找不到相应的工作。最后 他只得进一家电气公司，当一名雷达工程师。雷达工程师的职责范围是研究 雷达整体结构和工艺的设计，而不是搞纯理论的研究。但是，汤斯的才能并 没有因此而被埋没；战争需要雷达，而制造先进的雷达需要扎实的微波电子 学知识。于是汤斯开始悉心钻研微波电子学。不久他就成了一位精通微波电 子学的专家，发明了第一台微波激光器。成功是从一次失败的实验开始的。   
   
    第一次世界大战时，飞机速度慢，发动机的声音响。防空部队靠耳朵听飞机响声来判断有无敌机入侵。开始时，请听觉特别灵敏的盲人监听。后来改用装有大喇叭的听音器来侦察敌机的来去。第二次世界大战期间，飞机的 飞行速度大大提高了，差不多可以达到声音速度的一半。用听声音的方法来 侦察敌机实在太慢，往往听到飞机马达轰鸣声时，敌机就快到头顶上空了。 因此，各国都集中科学家加紧研究制造当时刚诞生的电子防空设备——雷 达。雷达的核心部分是微波振荡器，它产生频率极高的电磁波，通过雷达天 线发射出去，射向目标；目标把射到它表面上的一部分电磁波反射回来，被 雷达接收器接收后，在荧光屏上显示出目标的方位和距离。电磁波的传播速 度为每秒 30 万公里，比当时飞机每小时几百公里的速度不知快多少倍，这就 满足了尽早发现飞机的要求；另外靠听音确定飞机的方位是很不准确的，只 能知道飞机在某方位几十度的一个大概范围。雷达却能以误差只有几度的精 确度测定飞机的具体位置。交战国家都想使自己的雷达性能超过对方的雷达，以便能更有效地对付入侵的飞机，所以千方百计研制新型雷达。改进的途径之一是把雷达的工作 频率不断提高。因为当时巳出现了能干扰对方雷达的反雷达设备。比如一群 飞机飞来，其中一架飞机离开机群很远，上面装着能向对方雷达站发射强电 磁波的设备。这种强电磁波信号在对方雷达屏幕上把机群反射的弱电磁波信 号掩盖住了，使雷达变成“盲人”，机群就能悄悄地溜进对方上空，这是一 种现代电子障眼法。为了对付这种干扰，就要设法让自己的雷达发出的电磁 波频率和对方干扰电磁波频率不一样，而雷达接收器对本身发出的电磁波有 很高的灵敏度，这样，对方的干扰就不起作用了。因此，需要研究具有新的 频率的电磁波。    

　　那时，新设计的雷达，工作频率都做得很高，达到 1 万兆赫兹，波长 3 厘米。理论证明：波长越短，发射出去的波束就越细，发现目标确定它的位 置的精度就能提高。再有，工作频率越高，发射天线可以造得越小，战地使 用，把它安装在车辆上，机动性和灵活性提高不少。    
为了进一步提高雷达的工作频率，美国空军要汤斯研究波长为 1.25 厘米 的雷达，开拓雷达技术的新领域，利用这种新雷达制造精确的轰炸瞄准设备。 汤斯预测波长这么短的电磁波要被空气中的水汽吸收掉，不能用于雷达。试 验的结果证明他的预见是对的。  
   
　　但是，汤斯并没有就此止步，而是转过来研究水汽吸收电波的问题。在 研究中，他发现氨具有吸收电磁波等一系列现象，从而创立了一门全新的物 理学科——微波波谱学，这是一把揭开微观世界秘密的钥匙。不久哥伦比亚 大学聘请他为物理学教授。  
   
　　当了教授后，他并没有停止自己的研究，而是把目标集中到如何产生毫 米波、亚毫米波的问题上。这是当时科学技术上一大难题，还没有人能解决， 强烈的求知欲促使他向这一科学技术新领域进军。    

　　那时，产生频率高、波长短的电磁波，譬如厘米波，都使用相应的金属 作为振荡器的谐振腔；产生波长比厘米波更短的毫米波或亚毫米波，须用比 火柴梗还要细的金属盒。最难的是盒子的内壁必须打磨得十分光洁，而这却 是当时的工艺水平所办不到的。 
    
　　汤斯遇到难题了。然而，难题的挑战更激起他的兴趣；科学研究从来没 有康庄大道，关键是要找到一把克服困难、解决难题的钥匙。  
   
    他首先从电磁波的波长必然还要向更短的方向发展这个角度考虑：即使能将产生毫米波的金属盒子奇迹般地加工出来，那么以后要产生微米波用的 更细更小的盒子又怎么办呢？因此必须从根本上找到一种产生高频电磁波的 新方法。一个另辟蹊径的念头在汤斯的头脑里闪过：利用微小的原子结构所固有的频率来产生毫米波。这真是创造性的大胆设想。接下去要做的不仅是要从 理论上推导这种设想的可行性，还要用实验来证明技术上也完全是能够办得 到的。没有任何现成的实验设备，汤斯便利用原来做微波实验的设备，从研究分子运动产生厘米波着手，鉴定自己所依据的原理和实验方法是否对头，为 进一步产生毫米波做准备。1950 年初，美国海军研究署建立了一个由科学家和工程师组成的委员会，研究产生毫米波和亚毫米波的方法。   
  
　　1951 年春，汤斯到华盛顿参加委员会召集的第二次会议。他人虽然坐在 会议桌旁。脑子里却不断映现出他思考着的各种计算公式和实验方案。一天 清晨，曙光熹微，大地还蒙在一层薄纱之中。他醒来就想起了隔天推导的计 算公式还不够完善，正好利用清晨头脑清楚的好时光，重新研究修改。他轻 手轻脚地穿好衣服，走出了旅馆，来到附近的富兰克林公园。春天的公园是 迷人的，树梢嫩叶初长，花圃盛开着一丛丛火红的杜鹃花，一阵阵鸟鸣声使 人觉得早晨格外宁静。汤斯在一只长椅上坐下来，眼睛望着艳丽的花朵出神， 脑子却不断想着产生波长极短的电磁波的计算公式。一串串数字、一组组方 程在汤斯的头脑中像泉水一样涌现出来。突然，他想到一种新的计算方法， 连忙从口袋里摸出笔来，只是没有纸，翻遍口袋，只找到一只用过的信封， 就把信封撕开，在信封的背面列出几道算式算了起来。   

他奋笔疾书，只几分钟，就算出了需要激发多少分子才能得到分子振荡， 以及振荡器的允许损耗值。当时，汤斯是把氨作为计算对象。他不仅从理论 上推断氨分子被激发后可以产生波长为 1.25 厘米的电磁波，还设想了能产生这种振荡的具体方法。 汤斯没有立即宣布自己的新发现，而是回到实验室，根据自己的新想法，开始着手试制微波激射器。他和同事们，还有研究生，整整工作了两年；这 两年中，他们一起设计、制造、试验、拆毁、再造，翻来覆去，但一直都没 有成功。有两个朋友劝他放弃这种劳而无功、浪费钱财的试验，但他毫不动 摇，继续试验。  
   
　　1953 年年底，汤斯应邀到一个波谱讲习班去作短期讲学。一天，他的学 生飞也似地跑来，报告他一个激动人心的消息：微波激射器成功了！ 
    
　　师生一起来到一家地下餐厅举杯庆贺来之不易的成功。席间，他们想到 应该为这一新发明起一个简明、响亮的拉丁或希腊名字。然而胜利的激情使 他们无法平静下来，他们争了一夜也没有找到一个合适的名字。直到第二天 晚上，他们才满意地创造了一个缩写词“Maser”——“曼塞”——作为那个 新发明的装置的命名。它的意思就是“微波激射器”。以后在 Maser 的基础 上又发明了激光器，人们也照汤斯的样子创造了“Laser”这一缩写来为它命 名。两者只有一字之差。其中“aser”是受激辐射一词的英文缩写，而 M和L分别代表微波和光。这也表示它们产生的原理是相同的，只是振荡频率或 者说波长不一样。发现“曼塞”以后，汤斯谦虚地说这是他学生的胜利和光荣；因为他的学生是冒着当不成博士的风险来从事这项研究工作的。 不久，汤斯发现“曼塞”有一个怪脾气，它产生的频率很高的电磁波，始终固定在一个频率上振荡，用什么办法都无法改变它。当时，汤斯也说不出这样一种激射器有什么实用价值。 后来才明白，“曼塞”产生的微波能精确地稳定在一个频率上振荡，正是“曼塞”的优点而不是缺点：既然它每秒钟振荡的次数始终不变，那么，只要测量出振荡的次数，就可以知道准确的时间间隔。于是有人把这种激射 器作为时钟的计时标准，造出了当时世界上最准确的钟，“走”1 万年误差 只有 1 秒。微波激射器只能产生厘米波。汤斯需要的是毫米波和亚毫米波。然而，产生毫米波的激射器却迟迟造不出来，也没有发现能辐射毫米波、亚毫米波 的物质。汤斯当机立断，决定绕道前进，直接研究用激射器产生可见光振荡的可能性。    

　　1958 年，汤斯和他的合作者肖洛，经过了长期的思考、研究、计算以后， 首次提出光振荡条件的理论计算和光激射器的设计原理，并且还对这种新型 激射器的用途作了一番预测。这篇文章立意新颖、论证翔实、假设大胆、计 算精确，再加上技术措施切实可行，因此，立刻博得了电子物理学界的广泛 注意。欧美很多有条件的实验室，按照论文的提示，纷纷试验制造。    
　　    
    非同凡响    

　　叙述过激光的身世以后，接下去就要谈谈激光的“性格”和“特征”了。 由于激光也是光，只不过是一种比较特殊的光，所以我们还要从光说起。 
人们对光和光学现象的观察和研究有几千年历史了，在我国春秋战国时 的思想家墨子的科学著作《经说》中，就有关于光现象的描述。光和人类生 活有密切的关系，人们天天都生活在光的世界里。但是直到本世纪初，人们 才对它的本质有了较深入的了解。 
    
　　向平静的湖里扔一块石子，水面上会产生一圈圈的波纹，这是最直观的 波——水波。拨动一根琴弦，会在空气中产生听得见的声音，人们称之为声 波。广播电台、电视台的天线发射出我们看不见、听不见的一种波，它们就 是电和磁交替变化的电磁波。光是我们能感觉到的，然而没有人觉得它是一 种波动。现代科学理论证明，光也是一种电磁波，具有波的特性；只是可见光的波长极短，不到 1 微米，频率极高，每秒钟振荡 103～1015 次，所以人们 无法感觉到它的波动。  
   
　　光是原子、分子的运动产生的。改变分子和原子的能量状态，会产生光 振荡。那么，这种能量状态是怎么改变的呢？  
   
　　本世纪初，科学家已为我们画出了原子世界的图像。它真像我们的太阳 系：太阳的位置上是原子核，一颗颗电子像行星一样，在各自的轨道上绕原 子核运转。氢原子是最简单的原子，它只有一个电子围绕原子核转。电子在靠近原子核的轨道上运转时，能量较小；在离原子核较远的轨道上运转时，能量较 大。如果把氢原子的一个电子激发到能量大的较远的轨道上，再把它退激回 到原来轨道上，它便释放出一个光子，这就是发光。要使氢原子发光，可以 用电离的办法：把稀薄的氢气注入一只放电管内。通电后，电子从阴极出发， 在电场中加速，飞向阳极，电能转化为电子动能。高速的电子和氢原子碰撞， 把氢原子的电子撞出来。也有的电子只是把能量传给了氢原子的电子，使它 们从能量较小的轨道“激发”到能量较大的轨道上去，能量便得到了提高。 原子中的电子能量得到提高后，原子就处于激发状态，很不稳定，好比放在 一个圆锥体尖顶上的小球，随时都会掉下来。当处于激发状态的高能量的原 子回到低能量状态时，就以光的形式把能量释放出来。从目前人类已掌握的 知识来看，光就是这样产生的。 
    
　　原子发光的先决条件是必须受到外界的能量的激发。几乎各种能量都可 以成为这种激发条件而转化成光能。    

　　激光固然具有光的性质，但并不等于所有的光全都是激光。譬如太阳光、 灯光和烛光等，这些光产生时原子内部的能量变化是杂乱无章的，光的颜色 也各不相同。这些光射向四面八方，“各行其事”，一点也不守“纪律”。 这种“自发辐射”的光好比广场上的人群，各走各的，互不相关。激光是原 子、分子在一定的方式激发之下产生的受激辐射。犹如一队士兵听到命令， 马上列成整齐的队伍，每个人都按一定的次序、间距和步伐，有组织地排成 一条狭长笔直的人龙开步向前走。在这里指挥员的命令就好比是激发因素， 一个个士兵就是受激发的原子、分子。梅曼实验室中世界第一台激光器射出 的深红色光束，就是发自红宝石中的受激发原子。科学家从这种不寻常的红光中看到了一个崭新的物理奇迹。    
激光的机制    

　　激光是一种特殊的电磁波。激光的产生是 100 多年来科学家深入研究电 现象、磁现象和光现象的结晶。激光的直接创始人，可以追溯到当代伟大的 科学家爱因斯坦。爱因斯坦得过一次诺贝尔奖金。有趣的是，他得奖并不是 由于举世闻名的相对沦，而是因为他在 1905 年提出的光量子假说。根据这 个假说：光是由许许多多光子组成的，不同颜色的光由不同能量的光子组成。 爱因斯坦用这种假说解释光电效应获得了惊人的成功。1916 年，爱因斯坦在《关于辐射的量子论》论文中提出原子中的电子可以受“激”而放出光子。 这种受激辐射的过程就是产生激光的基本物理原理。 
    
　　 激光这个名词是从英文单词“Laser”翻译过来的。最初，根据它的英文 发音，译成“莱塞”、“镭射”等，不明其理的人看了简直莫名其妙。后来， 有人根据它的意思，翻译成“受激辐射光”。显然，这个译名的含义清楚， 而且把它跟普通光的区别明确地表示了出来，但字数太多，读起来不方便。    

1965 年，我国一些著名科学家建议，把“受激辐射光”缩写成“激光”两字， 这样就比较简明顺口了。发光有两种形式。自发辐射是发光的一种形式。除此之外，还有另一种 发光形式，那就是受激辐射。什么是受激辐射呢？这就是说，原来处在高能 级的原子，还可以在其他光子的刺激或感应下，跃迁到低能级，同时发射出 一个同样能量的光子。由于这一过程是在外来光子的刺激下产生的，所以叫 做受激辐射。有趣的是，新产生的光子与外来光子具有完全相同的状态，即 频率一样、波长一样、方向一样。只要产生一次受激辐射，就能使一个光子变成两个光子，这两个光子又会引起其他原子发生受激辐射，于是，在极短的瞬间内激发出无以数计的光 子，实际上就将光放大了。在这种情况下，只要辅以必要的设备，就可以形 成具有完全相同频率和相同方向的光子流，这就是激光。而放大光的设备， 就是激光器。在 1953 年，根据爱因斯坦的受激辐射原理，美国物理学家汤斯研制成功了微波放大器。   
  
    1960 年 9 月，激光终于在美国年轻的物理学家梅曼手中诞生。 梅曼的激光器中使用了一根人造红宝石作为发光物质，以强光作为激光源。红宝石是一种人工制造的晶体。当梅曼用氙灯的闪光照射红宝石时，实验室里突然发射出一束深红色的光，其亮度达到太阳表面亮度的四倍。这束 振奋人心的耀眼光束就是激光。大约半年后，我国也研制出一台红宝石激光器。 激光器由发光物质（介质）、管状谐振腔和激光源三部分组成。许多物质都可以产生激光，但不同的物质产生的激光在物理性能上有所不同。 激光器的工作方式以发射出的激光持续时间长短分为连续、脉冲、巨脉冲和超短脉冲四种。    

　   激光的特点    

    第一个特点是——比太阳还要亮百亿倍 太阳光又强、又热，谁也不敢正视耀眼的太阳，可是与激光相比，太阳光就仿佛是小巫见大巫了。梅曼制成的那台红宝石激光器，它发射出的深红 色激光是太阳亮度的四倍。而近年来研制出的最新激光，要比太阳表面亮度 高出一百亿倍以上！ 
　因为激光器发出的激光是集中在沿轴线方向的一个极小发射角内（仅十 分之一度左右），激光的亮度就会比同功率的普通光源高出几亿倍。再加上 激光器能利用特殊技术，在极短的时间内（比如一万亿分之一秒）辐射出巨 大的能量，当它会聚在一点时，可产生几百万度，甚至几千万度的高温。    
    第二个特点是——颜色最纯 太阳光分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。不同颜色的光波长是各不相同的。在自然界中几乎找不到波长纯而又纯的光，各种波长的光总 是混杂在一起的。    
    科学家们长期以来一直努力寻找一种波长一致的单色光源。 激光就是这种理想的单色光源。拿氦氖气体激光器来说，它射出的波长宽度不到一百亿分之一微米，完全可以视为单一而没有偏差的波长，是极纯的单色光。 第三个特点是——方向最集中当我们按亮手电筒或打开探照灯时，看上去它们射出的光束在方向上是笔直的，似乎也很集中，但实际上，当光束射到一定距离后，就散得四分五 裂了。唯有激光才是方向最一致、最集中的光。如果将激光束射向月球，它 不仅只须花 1 秒钟左右便能到达月球表面，而且仅在那里留下一个半径为两 千米的光斑区。第四个特点是——相干性极好当用手将池中的水激起水波，并使这些水波的波峰与波峰相叠时，水波 的起伏就会加剧，这种现象就叫干涉，能产生干涉现象的波叫干涉波。激光 是一种相干光波，它的波长、方向等都一致。   
  
    物理学家通常用相干长度来表示光的相干性，光源的相干长度越长，光的相干性越好。而激光的相干长度可达几十千米。因此，如果将激光用于精 密测量，它的最大可测长度要比普通单色光 大 10 万倍以上。激光的四大特点是互有联系，相辅相成的。    

    略施小技    

　　科学家掌握激光的特性以后，使激光登上显示现代科学技术的大舞台， 让它干了三件不可思议的奇事。  
   
　　第一件奇事是刺破青天，去叩响月球“广寒宫”的大门。1969 年，美国 的宇航员乘坐宇宙飞船首次登上月球。其实激光早在 1962 年就已经捷足先 “登”上了月球。那次，科学家使用的是红宝石激光束。激光从地球射到月 球上，再从月球返回地球，越过万里长空，来去只花了 2.6 秒。科学家拍摄 了这一珍贵的镜头，摄下了激光在月球上的足迹——一个明亮的红点。 
    
　　第二件奇事是让激光束钻到人的眼睛里治眼病。眼睛很像照相机，瞳孔 和瞳孔后的晶状体是一个光线可以进入的“窗口”。细得像一条线的激光束， 正好从这里射入眼内。晶体像透镜一样，它把激光聚焦在眼底上。焦点非常 小，只有几十微米，和头发丝直径差不多；因此能量高度集中，温度可达 1000 多度，用它来做精确度很高的眼科手术非常理想。比如，把眼底视网膜上的 裂孔封闭起来。这类手术通常需要把眼球从眼眶中摘出来做，病人很痛苦；