第8章 物理大发明(8)

可不可以也用类似的办法来改造原子束的振荡场呢？经过计算，证明在振荡场的两端用两条狭窄的振荡区即可代替整个振荡场，只要两端的驱动微波同相位，整个场的不均匀性就不会影响共振曲线的宽度，反而可以使宽度窄40%。这一设计思想立即使铯原子钟获得了成功的希望。1952年第一台应用分离振荡场方法的铯原子钟在美国国家标准技术局问世，频率宽度是原来的方法的十分之一，接着，英国国家物理实验室也于1955年建立了原子钟，3年后他们发表了精确的结果：铯133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射频率为9 192.631 770MHz。这一频率后来在1967年被第十三届国际计量大会正式用来定义时间的基准。秒的新定义就是这样产生的。

激光器的发明

这里指的是20世纪的一项重要发明——微波激射器。另一个新名词大家也许早就熟悉，所谓镭射，就是我们常常说到的激光。

晶体管的发明，它是第二次世界大战后最激动人心的科技产物，对20世纪后半叶人类社会的发展和物质文明的进步有极大的推进作用。然而，无独有偶，就在这个时期，又孕育了另一项重大的科技发明，那就是脉泽和激光。在脉泽和激光的发明中，运用了20世纪量子理论、无线电电子学、微波波谱学和固体物理学的丰硕成果，也凝聚了一大批物理学家的心血。这些物理学家很多是在贝尔实验室工作的，其中最为突出的一位是美国的物理学家汤斯（C·H·Townes）。

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验工作之中，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24 000MHz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气吸收，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微波和分子之间的相互作用，取得了一些成果。

1948年汤斯遇到哥伦比亚大学教授拉比（I·I·Rabi）。拉比建议他去哥伦比亚大学。这正合汤斯的心愿，遂进入哥伦比亚大学物理系。1950年起在那里就任正教授。雷达技术涉及到微波的发射和接收，而微波是指频谱介于红外和无线电波之间的电磁波。在哥伦比亚大学，汤斯继续孜孜不倦地致力于微波和分子相互作用这一重要课题。

汤斯渴望有一种能产生高强度微波的器件。通常的器件只能产生波长较长的无线电波，若打算用这种器件来产生微波，器件结构的尺寸就必需极小，以至于实际上没有实现的可能性。

1951年的一个早晨，汤斯坐在华盛顿市一个公园的长凳上，等待饭店开门，以便去进早餐。

这时他突然想到，如果用分子，而不用电子线路，不是就可以得到波长足够小的无线电波吗？分子具有各种不同的振动形式，有些分子的振动正好和微波波段范围的辐射相同。问题是如何将这些振动转变为辐射。就氨分子来说，在适当的条件下，它每秒振动2.4×1010次，因此有可能发射波长为114厘米的微波。

他设想通过热或电的方法，把能量送进氨分子中，使氨分子处于“激发”状态。然后，再设想使这些受激的分子处于具有和氨分子的固有频率相同的微波束中，氨分子受到这一微波束的作用，以同样波长的微波形式放出它的能量，这一能量又继而作用于另一个氨分子，使它也放出能量。这个很微弱的入射微波束相当于起着对一场雪崩的触发作用，最后就会产生一个很强的微波束。这样就有可能实现微波束的放大。

汤斯在公园的长凳上思考了所有这一切，并把一些要点记录在一只用过的信封的反面。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，他的助手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“受激辐射微波放大”，英文名为“MicrowaveAmplification by Stimulated Emission of Radiation”，简称MASER（中文音译为脉泽，意译为微波激射器）。

脉泽有许多有趣的用途。氨分子的振动稳定而精确，用它那稳定精确的微波频率，可用来测定时间。这样，脉泽实际上就是一种“原子钟”，它的精度远高于以往所有的机械计时器。

1957年，汤斯开始思索设计一种能产生红外或可见光——而不是微波——脉泽的可能性。他和他的姻弟肖洛（A·L·Schawlow）在1958年发表了有关这方面的论文，论文的题目叫《红外区和光学脉泽》，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。

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脉泽器时，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脉泽器很感兴趣，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。汤斯把自己关于光脉泽器的笔记交给肖洛，里面记有一些思考和初步计算。肖洛和汤斯的论文于1958年12月在《物理评论》上发表后，引起强烈反响。这是激光发展史上具有重要意义的历史文献。汤斯因此于1964年获诺贝尔物理学奖，肖洛也于1981年获诺贝尔物理学奖。

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脉泽，纷纷致力于寻找合适的材料和方法。他们的思想启示梅曼（T·Maiman）做出了第一台激光器。

梅曼用一根红宝石棒产生间断的红光脉冲。这种光是相干的，在传播时不会漫散开，几乎始终保持成一窄束光。即使将这样的光束射到32万千米之外的月球上，光点也只扩展到两三千米的范围。它的能量耗损很小，这样，人们就自然想到向月球表面发射光脉泽束，以绘制月面地形图，这种方法远比以往的望远镜有效得多。

大量的能量聚集在很窄的光束中，使它还能用于医学（例如在某些眼科手术中）和化学分析，它能使物体的一小点汽化，从而进行光谱研究。

这种光比以往产生的任何光具有更强的单色性。光束中的所有光都具有相同的波长，这就意味着这种光束经调制后可用来传送信息，和普通无线电通信中被调制的无线电载波几乎完全一样。由于光的频率很高，在给定的频带上，它的信息容量远大于频率较低的无线电波，这就是用光作载波的优点。

可见光脉泽就是现在大家熟悉的激光，激光的英文名字也可音译为镭射（laser），laser是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”（受激辐射光放大）的缩写。

梅曼是美国休斯研究实验室量子电子部年轻的负责人。他于1955年在斯坦福大学获博士学位，研究的正是微波波谱学，在休斯实验室做脉泽的研究工作，并发展了红宝石脉泽，不过需要液氮冷却，后来改用干冰冷却。梅曼能在红宝石激光首先作出突破，并非偶然，因为他已有用红宝石进行脉泽的经验多年，他预感到用红宝石做激光器的可能性，这种材料具有相当多的优点，例如能级结构比较简单，机械强度比较高，体积小巧，无需低温冷却，等等。但是，当时他从文献上知道，红宝石的量子效率很低，如果真是这样，那就没有用场了。梅曼寻找其他材料，但都不理想，于是他想根据红宝石的特性，寻找类似的材料来代替它。为此他测量了红宝石的荧光效率。没有想到，荧光效率竟是75%，接近于1。梅曼喜出望外，决定用红宝石做激光元件。

通过计算，他认识到最重要的是要有高色温（大约5 000 K）的激烈光源。起初他设想用水银灯把红宝石棒放在椭圆形柱体中，这样也许有可能起动。但再一想，觉得无须连续运行，脉冲即可，于是他决定利用氙（Xe）灯。梅曼查询商品目录，根据商品的技术指标选定通用电气公司出产的闪光灯，它是用于航空摄影的，有足够的亮度，但这种灯具有螺旋状结构，不适于椭圆柱聚光腔。他又想了一个妙法，把红宝石棒插在螺旋灯管之中，红宝石棒直径大约为1厘米、长为2厘米，正好塞在灯管里。红宝石两端蒸镀银膜，银膜中部留一小孔，让光逸出。孔径的大小，通过实验决定。

就这样，梅曼经过9个月的奋斗，花了5万美元，做出了第一台激光器。可是当梅曼将论文投到《物理评论快报》时，竟遭拒绝。该刊主编误认为这仍是脉泽，而脉泽发展到这样的地步，已没有什么必要用快报的形式发表了。梅曼只好在《纽约时报》上宣布这一消息，并寄到英国的《自然》杂志去发表。

梅曼发明红宝石激光器的消息立即传遍全球。接着又诞生了氦氖激光器。

氦氖激光器是这三四十年中广泛使用的一种激光器。它是紧接着固体激光出现的一种以气体为工作介质的激光。它的诞生首先应归功于多年对气体能级进行测试分析的实验和从事这方面研究的理论工作者。到60年代，所有这些稀有气体都已经被光谱学家做了详细研究。

不过，氦氖激光器要应用到激光领域，还需要这个领域的专家进行有目的的探索。又是汤斯的学派开创了这一事业。他的另一名研究生，来自伊朗的贾万（Javan）有自己的想法。贾万的基本思路就是利用气体放电来实现粒子数反转。

贾万首选氦、氖气体作为工作介质是一极为成功的选择。最初得到的激光光束是红外谱线1.15微米。氖有许多谱线，后来通用的是6 328埃，为什么贾万不选6 328埃，反而选1.15微米呢？这也是贾万高明的一着。他根据计算，了解到6 328埃的增益比较低，所以宁可选更有把握的1.15微米。如果一上来就取红线6 328埃，肯定会落空的。

贾万和他的合作者在直径为1.5厘米、长为80厘米的石英管两端贴有13层的蒸发介质膜的平面镜片，放在放电管中，用无线电频率进行激发。为了调整两块平面镜的取向，竟花费了6～8个月的时间。1960年12月12日终于获得了红外辐射。

1962年，贾万的同事怀特和里奇获得了6 328埃的激光光束。这时激光的调整已积累了丰富经验。里格罗德等人改进了氦氖激光器。他们把反射镜从放电管内部移到外部，避免了复杂的工艺。窗口做成按布鲁斯特角固定，再把反射镜做成半径相等的共焦凹面镜。

氦氖激光器一直到现在还在应用，在种类繁多的各种激光器中，氦氖激光器也许是最普及、应用最广泛的一种。在红宝石激光器和氦氖激光器之后，接踵而至的是效率更高、功率更大的激光器——二氧化氮激光器和经久耐用、灵巧方便的半导体激光器，它们像雨后春笋一般涌现了出来，成了现代高科技的重要组成部分。

光导纤维的发明

光通信是一门既古老又年轻的科学技术。说它古老，是因为早在古代就有利用光传递信息的记录。我国的周朝，就曾经用“烽燧”来传递敌人入侵的信息，距今已三千余年。航行中利用旗语和灯光传递信息，也有几百年了。1880年发明电话的贝尔就曾经进行过光通信的实验。

可见，用光传递信息远比用电传递信息的历史来得悠久，当然所有这些都只是在空气中传递光的信息。说它年轻，是因为光通信真正成为现实，还是近三十多年的事情，只是在激光器出现之后，电缆通信和无线电通信已显示出许多不足，采用光学方法代替电学方法传递信息才成为当务之急。于是，以光导纤维（简称光纤）为核心的光纤通信技术就应运而生。

作为一门高新科技，光纤通信可以说是物理学、化学、电子学、材料科学等学科的综合产物，在当代高新科技中具有特殊的地位。我国国家科学发展规划，把光纤通信和计算机、生物工程等项目并列为技术革命的重点，就可见其重要性。

光纤通信是现代信息传输的重要方法之一。它的特点是：容量大，保密特性好，抗干扰性能强，中继距离大，节省铜材等。

光纤一般是由同心圆柱形的双层透明介质，主要是石英玻璃之类的介质组成，石英玻璃实际上就是二氧化硅（SiO2）。介质的内层叫纤芯，外层叫包层，纤芯的折射率高于包层，光纤拉成细丝，其直径约为数微米，包层直径为125微米。多根光纤组成光缆，结构与电缆差不多，其制造方法和环境要求也与电缆类似。

值得特别向读者介绍的是，英籍华裔科学家高锟（Charles Kao）的开创性工作对这项重大课题的解决具有决定性的意义。

1966年，高锟和他的合作者霍克汉（G·A·Hockham）在进行一系列理论和实验研究之后，发表了一篇著名论文，提出用光纤进行长距离通信的建议。他们预言光波导材料的衰减率有可能从当时的每千米1 000分贝（即1 000 dB／km）降低到每千米20分贝（即20 dB／km），他们证明单模光纤每秒有可能传送10亿位数字信号，并论证了单模光纤的要求和特性。这两位科学家以敏锐的洞察力，勾画出了尚未出现的技术蓝图。他们认为最艰难的任务是研制损耗低于20 dB／km的光纤材料。这一指标在1966年实在难以实现，但是在高锟的激励下，仅仅过了4年，就有人宣布达到了这个指标。从此，光纤通信技术蓬勃发展，而高锟和霍克汉的这篇著名论文就成了光纤通信领域的里程碑。