激光从发明到应用.docx

1、激光从发明到应用激光从发明到应用&6482摘要 本文通过对激光从发明到应用过程中几个重要问题的历史考察，论述在一个具体技术领域的产生和发展过程中，科技、经济和军事的动力共同发挥着作用；阐明在这一过程中，科学与技术的关系不是简化的、线性的关系，技术发明不是从科学发现直接导出的。科学与技术之间存在着多种多样的相互作用：不仅新技术的产生依赖于科学知识，而且，在新技术建立之后，技术的发展又为科学研究提供了强大的动力；说明新技术应用的不确定性不仅仅在于技术本身，而且在于社会如何运用已建立的技术能力。最后，本文指出：（1）基础研究和应用是相互作用和相互缠绕的，因此应重视设计激励两者互动的政策；（2）从科学

2、的角度来看，新的科技突破是激动人心。从经济和社会发展的角度，更重要的问题是如何开发利用新的科技突破关键词 激光，科学和技术的关系，新技术的应用，不确定性，微波激射器，1960年，世界上第一台激光器诞生。激光是一项根本性的突破。激光技术的发展，极大地带动了相关科学研究的蓬勃发展，带来了遍及社会和经济生活各个领域的广泛用途。到如今，已有六次诺贝尔物理学奖授予了工作在微波激射器和激光领域的科学家：Nikolai Basov, Alexander Prokhorov 和Charles H.Towens（1964）；Dennis Gabor（1971）；Arno Penzias 和Robert Wils

3、on（1978）；Nicolaas Bloembergen 和Arthur Schawlow（1981）Norman Ramsey（1989），Steven Chu(朱棣文) ，Claude Cohen-Tannoudji和 William Phillips（1997）。四十年来，激光广泛地应用于国防、通讯、医疗、工业应用、出版业、科学和工程研究、环境监测、精密测量、服务业（如超级市场柜台的读条码）和家庭娱乐（如CD机）等各个领域。像蒸汽机、机械工具、电气（发电机和电动机）、晶体管、计算机这些根本性的创新一样，激光是一项通用技术（General purpose technologies, GP

4、Ts，1 ,p65），它提供了可以在大量实际领域应用的技术能力，对科学技术和经济社会的发展都具有极其深远的影响。激光的历史，蕴含着丰富的科技政策议题，是我们认识和理解20世纪科学技术发展及其与社会相互作用的一个极好案例。本文以历史发展为基础，探讨激光从发明到应用的几个重要问题：技术发明依赖于科学的方式；技术的建立与激光共同体的形成；技术进化的方向和轨道；技术的不确定性和应用。据此，对科学与技术的之间互动关系以及新技术在社会经济中的应用做一结论。1 是什么使激光出现的技术发明是如何依赖科学知识的激光（Laser, light amplification by stimulated emissio

5、n of radiation ）发明于1960年，其前驱微波激射器(Maser ,microwave amplification by stimulated emission of radiation )发明于1954年。 从历史发展来看，激光是把微波激射器的原理从微波领域自然推广到可见光而产生的。两者都是基于受激辐射原理。受激辐射的概念是由爱因斯坦在1916年提出的，到30年代，物理学家已经认识到受激辐射会带来放大效应。也就是说，发明激光的概念要素在20世纪30年代就已充分提出来了。那么，自然要问：为什么激光没有在30年代就发明？特别是，为什么激光不是在微波激射器之前，而是在之后被发明出来？

6、这样的问题预设一种逻辑：科学发现自然会带来技术突破，或者技术突破是从科学原理中直接导出的。这样一种思想是事后的逻辑重建。按照这种逻辑给出的一个答案自然会是这样的：“人们花了20年的时间摆脱了老的、传统的产生电磁波的想法，找到了实现它们全新的、革命性的途径，就象常在这些例子中出现的，当时机成熟时，许多科学家几乎就会同时得到同样的想法。”(2， Pxi，着重体为引者所加）。“时机成熟”一词，掩盖了对技术发明依赖于科学知识方式的无知。让我们来看一看实际的情况。从历史发展来看，微波激射器的发明是由分子光谱学的研究问题产生出。二战期间，由于雷达的需要，分子光谱学得到兴旺发展，研究前沿向更短的波长领域推进

7、，以达到更高分辨率的目标。 (3，PP39-40) 战争结束后，美国军方对毫米级波谱学的研究工作保持着强烈的兴趣，因为其方便的部件可以用于减少导弹的重量、设计安装在坦克和潜水艇上的轻量级短波雷达、以及用于提高短波通讯的安全性。1946年，由美国海军研究办公室、陆军通讯兵和空军联合建立了联合电子学服役计划（the Joint Services Electronics Program， JSEP），提供资金和仪器，共同支持“二战”期间的电子学研究实验室，目的是平行地开展军方需要的研究和光谱学家感兴趣的研究，并期望两者能得到交叉利用。JSEP最初支持的四个实验室是：哈佛辐射实验室，MIT辐射实验室（

8、重组为电子学研究实验室），哥伦比亚辐射实验室和斯坦福电子研究实验室。在当时冷战的气氛下，美国科学家把基础研究和军事应用结合在一起来做，是很普遍的现象。1951年，在微波激射器的思想提出之时，微波激射器和激光的发明人 Charles H.Towens就在哥伦比亚辐射实验室，受军方的资助，从事分子光谱学和微波的基础研究。1954年，Townes和他的学生 J.Gordon H. Zeiger合作用新的放大原理产生了第一台微波激射器。之后，Townes把微波激射器的研究原理推广到可见光领域，带来了激光的发明。我们从微波激射器发明的故事（3,PP54-59）可以知道，Townes是在苦苦思索当时困扰的

9、难题常规的微波源（电子管、速调管、磁电管等）对毫米和亚毫米范围无能为力时，灵感突现，想到用共鸣振荡器来保持受激辐射，从而实现放大作用。在当时，物理学家熟知受激辐射已经有三十多年了，也知道受激辐射会产生放大现象，但是实验显示很困难。由于受激辐射可以很好地被其他物理效应确定，放大效应没有被认真对待；（4,P547）当时物理学家的兴趣没有显示出把受激辐射和相干的放大技术联系起来，1951年前物理学家发表的文章情况证明这一点。（ 5,P18）而工程师对于振荡器也有着相当的了解，但并不熟悉量子力学的概念。Townes的成就部分在于他跨越了物理学和工程的学科界限，把通常不会联在一起的两个概念联在一起。从T

10、ownes的经历中，我们可以看到，在“二战”期间，作为贝尔实验室的物理学家，通过参与研制雷达的工作，Townes学到了大量的工程知识，并十分熟练地掌握了微波工程的技巧（3,PP40-41，P43）；同时，制作雷达提出的微波与物质（特别是气体）相互作用的问题，使Townes对分子光谱学发生了浓厚的兴趣。Townes回顾说：“制作雷达的实际工作打开了一个全新的物理学领域”。（3，P41）战争一结束，Townes即决定从工程重返物理，从事微波光谱学和分子共振的研究。他向贝尔实验室的管理层提议开展分子光谱学研究, 但没有得到积极响应。于是，Townes来到哥伦比亚大学，在JSEP的资助下， 按照自己的

11、路线坚持探索。作为一个光谱学家，努力探寻辐射发生器技术（相干产生技术）一直激励着他。微波激荡器产生于工程与物理学观念的结合，用Towens的话说，需要结合工程和物理学的知识和本能（3，P71）。这种特征在另外三个独立的微波激射器奠基人身上同样也表现得相当明显： 苏联的微波激射器先驱N.G.Basov, A.M. Prokhorov也是无线电和微波光谱学家。Joseph Weber则以微波工程师开始其职业生涯的，当他后来回到天主教大学学习，听到Karl教授关于受激辐射的讲演时，即想到这可以应用到微波放大。（5,P20）我们可以说，微波激射器，它的产生是基于受激辐射原理，但不是从这个原理直接推出的

12、。是技术问题即战争期间的雷达研究，把许多物理学家带入量子力学和电学工程的结合地带微波和无线电波谱学领域，并提出了新的科学问题。在解决新的科学问题中，科学家把技术目标与已知的科学原理结合起来，得出了微波激射器的观念。微波辐射器是一个全新的、革命性的产生微波的方法。它的成功，证明了受激辐射原理技术应用的可行性。由此，用同样的方法产生可见光的放大激光，即是很容易想象的。2. 技术的建立和激光共同体的形成21 技术的建立把微波激射器的原理，扩展到毫米和亚毫米区域、甚至更远的红外和可见光线，以产生相干光辐射，是一个合理的跳跃。微波激射器发明之后，许多科学家设想和讨论过红外和光学激射器的问题。1957年，

13、 Townes与贝尔实验室的 A.Schawlow开始合作，当时Townes在贝尔实验室担当顾问。 经过一年多的工作，1958年8月，Schawlow 和Townes在贝尔实验室提交专利申请之后，把他们的手稿送到物理学评论。同样12月，这篇题为红外和光学激射器（Infrared and Optical Masers）的论文发表，提出了建造激光的思想。这篇论文对美国的激光发展产生了深远的影响。在正式发表之前，这篇论文已被复印，在哥伦比亚大学和贝尔实验室竞相传阅，敲响了一场大竞赛的起跑枪。当时正值苏联人造地球卫星发射不久，美国倾注了大量的科研资源，并对科学家提供了前所未有的荣誉和自由来从事科研工作

14、。在这种宜人的气氛中，哥伦比亚大学、贝尔实验室、 技术研究公司（TRG，Technical Research Group ,由国防部出资在50年代建立的公司）、IBM、Hughes航空公司和美国光学公司，竞相投入建造第一台激光器的竞赛中。1960年5月16日，Hughes研究实验室的T.H.Maiman造出第一台红宝石激光器，这一成就既出乎意料，又鼓舞人心。很快，IBM的P.Sorkin和M.Stenenson发明了钙氟化物晶体激光器，A.Schawlow和G.Devlin证明暗红宝石可以用来做激光器，特别是，第一个连续运行的电泵浦的氦氖激光器在同一年底由贝尔实验室Javan，Bennett和

15、Herriott建造成功。这样，不仅只有一种类型，而且有四种不同类型的激光运行成功1960年的第一批激光发明器，不仅实现了Schawlow , Townes和Gould在1958年的理论设想，而且，研究者对许多材料作了详尽的研究，而不是仅仅限于Schawlow和Townes讨论的钾蒸汽，他们确定了这些材料实现粒子数反转的要求；同时他们建立了可以满足这些要求的泵浦源。这样，一种全新的技术就建立起来。2.2 激光共同体的形成激光，具有十分不同于普通光的奇异特性。普通光源的原子或分子发射的光子是各不相干、杂乱无章的。而在激光器中，在受激辐射的作用下，光子与受激发的原子相互作用，可以发出另一个状态（频

16、率、相位，方向和偏振态等）相同的光子，这样的作用反复进行，产生出相干的放大光，具有高定向性、单色性和高相干性等鲜明特点。因此，激光不仅打开了一个全新的科学研究领域，也开辟了广泛的应用前景。随着第一批激光器的诞生，激光研究迅速“热”起来，很快吸引了远远超出最初研制激光的一小群研究者之外的各种相关角色的积极响应和参与，形成了促进激光技术发展的共同体。科学动力激光打开了一个全新的领域， 有待于发现的有趣的和重要的现象像一片新大陆展现在科学家的面前。许多科学家回忆起当时的情景，对于会发现新的和具有重要意义的东西所带来的那种激动人心的感觉都记忆犹新。（5,P97）激光研究成为获得职业承认的最好途径之一。

17、随着第一批激光器的建造成功，激光研究出现繁荣局面。1960年，美国和欧洲的激光研究组的数量大约在25-50之间， 仅两年之后，单单在美国就有500个（6,P800）。开创激光研究领域的研究者，大多是已在微波激射器领域工作多年的物理学家和工程师，后来对激光感兴趣的其他领域的物理学家积极加入，特别是半导体领域的研究人员进入，对激光科学技术的发展产生了很大的推动作用。随着激光技术的发展，越来越多其他学科（如化学）进入，激光研究成为一个多学科交叉的领域。许多工作常常是不同学科的人一起组成team work完成的。例如，激光共振器理论是一个由物理学家、工程师和数学家合作发展的理论。（7,PP158-16

18、1,；8,PP276-277；9,PP126-127）值得注意的是，在激光作为一个新的研究领域的产生和成长过程中，职业协会起到了重要的作用。激光的一个突出特征是创造了古老学科之间的新鲜联系。微波激射器创造了物理学和电学工程之间的联系，而激光则进一步加强了同光学之间的联系。 相应的三个学科共同体：物理学、电学工程和光学的科学家都积极介入激光的研究。认同自己为从事激光研究的科学家不断增多，对其所属的职业协会产生积极效果不断增强。职业学会把支持激光研究作为其职责承担下来。通过会议和促进出版等活动提高研究兴趣和促进新观念的产生交流，职业学会自身就变成了激光研究的支持制度。美国光学学会和无线电工程师学会

19、（即后来的电学和电子工程师学会（the Institute of Electrical and Electronics Engineers（IEEE），从一开始即按照各自的目标，从不同角度积极支持激光研究和成果应用。他们虽然存在着竞争，但开始就合作得很好。第一届量子电子学会议是由海军研究办公室资助的，后来的会议则是由一个或几个协会联合资助的，如1986年国际量子电子学会议是由美国物理学会、IEEE、美国光学学会和欧洲物理学会联合资助的。经济动力从激光“热”的开始，公司就积极介入激光的应用和发展。 在激光发展的初期，工业研究实验室对激光研究投入了大量的资源。 工业研究实验室的管理层出于不同的动机

20、支持激光研究，一些认为激光可能最终会为公司下一代技术的产生奠定基础（如贝尔实验室的管理层认为光学通讯可能是继卫星通讯的之后又一飞跃）；一些公司把激光当做更好的工具；一些公司明显地受国防部的利益驱动，希望能到军方的合同；一些公司只是要跟上这个新技术的进展。据统计，1962年有400家公司在进行某种形式的激光研究，其中10-12个是规模很大的。（5,P99）同时，在激光器发明之后不久，激光的商业化迅速兴起。早在1961年，一些公司即开始将激光推向商业市场，这些可以利用的激光器加快了大学、工业和政府机构的研究进程。60年代美国的风险投资状况非常好，政府的采购和财政政策都对小企业创业有着特殊的优惠条件

21、。到1963年，美国已有20-30家激光公司进入市场。除了一些大公司（如Hughes）外，由科学家创办的小公司发展迅速，如Spectra-Physics是由五个有着科学家和工程师背景的企业家二次创业所建立的，后来成为美国最大的激光制造商；Korad则是T.Maiman在发明红宝石激光器后不久离开Hughes创立的，代表着经典的科学家创办企业的模式。激光制造商，在推进激光进入市场的过程中，不仅推进了技术的改进，而且也为可能会扩展市场的新的应用贡献新的思想。军事动力激光出现之后，美国军方反应高涨：“几乎没有空军、陆军和海军机构不正在支持、或讨论在近期资助某些类型的光学激射器的基础研究，或应用研究，

22、或实验发展” （10，P36）。 军方对激光研究了提供大量的资金，并提出应用的目标。各军种感兴趣的不一样：空军的兴趣在太阳能激光、激光通讯系统，空间物体识别和跟踪系统，陆军的兴趣在导弹导航和高能量武器。军方的钱主要投到合同实验室，但同时对大学的研究也提供了强有力的支持。军火研究办公室（the office of Ordnance Research）向23所大学“为激励国防定向的现代光学研究”捐款272万美元，并提供仪器设备，这极大地促进了大学研究的发展（10,P38）。1961-1963年列在物理学文摘的51篇激光论文，有41篇(即80%)至少得到国防部的部分支持（5,P102）。最大的激光项

23、目是国防部的高级研究项目处（Advanced Research Projects Agency ARPA）资助的。这个机构支持具有高回报率的风险项目，曾对于半导体和计算机的发展起到了很大的扶持作用。激光发展的不同动力，不仅吸引了不同利益的各种角色的积极参与，也创造他们彼此之间的联系。通过咨询、合作研究，大学科学家与工业科学家联系在一起。通过国防部和以及后来NASA（美国国家航空航天署）的支持，大学科学家与国防部和其他政府部门的R&D机构联系在一起。工业科学家和工业经理通过国防部的合同和咨询任务与政府联系在一起。小激光公司依靠大公司的研究成果的许可以及资本来源，与大型的工业实验室联系在一起。作为

24、回报，他们提供大公司用于研究和生产的仪器，同时与他们进行联合应用研究。职业协会与大学科学家、与工业（通过个人和集体会员）、与国防机构通过联合资助会议联系在一起。这一切联系又由激光科学家的流动相互加强。激光共同体是一个“科学-经济-军事共同体”，各方目标和利益相互作用，共同推动着激光的发展。3. 技术的进化31 技术进化的方向和轨道第一批激光器的诞生，证明了激光行为的可行性，同时为随后的发展提出了需要解决的问题：除了Javan 的氦氖混合气体，Maiman的红宝石以及Stevenson 和Sorokin的钙氟化物晶体，还有什么材料可以做激光？除了光学泵浦，是否还有第二种可行的激发方法？如何分析光

25、的相干性质？通过激光束产生的强大电磁场可以对无机和生物材料产生什么效应？激光在物理化学和生物实验有什么用途？这从多种途径塑造着激光的发展方向，对材料和受激方法的研究带来不同种类的激光：半导体激光，离子激光和化学激光等，而对激光的性质和效应的研究则反过来进一步促进了激光技术的发展。（11,PP27-28）到1963年，早期各种各样的激光器运行，显示出激光在波长、输出总能量、能量峰值、泵浦方法、操作适用温度和效率等多种多样的性质。为了提高激光的能量和达到其他的性质，一个明显的方法就是创造新的激光。例如，最早的气体激光能量有限，贝尔实验室C.K.N.Patel第一个想到原子能量有限，于是尝试用分子，

26、由此他发明了二氧化碳激光器。这是第一个高能量激光器。在这种战略之下，新的激光类型不断出现。1965-1968年已经有100多种新的激光出现。每当一种新的激光类型出现，科学家的研究就会集中在其中有前景的几种，从中选出最好的一类。这样，氩离子激光器成为最好的离子激光器，二氧化碳激光器成为最好的分子激光器，大量的研究围绕着它们进行，成为应用研究和发展的焦点，也为新公司的诞生创造了前景。在创造新激光的技术发展轨道中，研究者的动机逐渐显示出受到潜在应用的影响。早期的发明经常只是获得新的光线和新的类型的物质。但是进入1963和1964之后，研究者开始指导自己发现激光的特殊性质。例如，Spectra-Phy

27、sics的创始人之一和实验部主任William Bell-在改进氦氖激光器的研究中，偶然发现水银离子可以产生比通常红光更短的绿光。耶鲁大学的W.Bennett深受这一发现吸引，因为更短的波长具有特殊的用途，如美国海军需要用蓝绿的激光用于海底通讯和探测潜水艇与水雷，由此， Bennett发明了重要的离子激光器氩离子激光器。 在激光的发展中，潜在用户的需求通过多种交流渠道（个人之间的交流和组织之间的seminar，各种形式的论坛等），传递给关心应用的科学家（5,p180）。这样，在研制激光装置的科学家之间，就会对于某种期望的需要形成一致的看法，研究就会向着期望的方向前进。许多性质不只有一种用途，比

28、如，高能量对于激光武器和工业工艺都有用。这样，有前景的新型激光器的不断出现，极大地开辟了激光可能的应用范围，同时也吸引潜在用户的进一步支持。例如，连续运行的二氧化碳激光器的出现，对反导弹武器的研制创造了条件，引起了ARPA对激光更大的热情，也开辟了快速切割非金属材料（例如布）的前景，刺激工业界投资应用研究。32 工业研究实验室的作用在激光的发展中，工业研究实验室不仅在创造激光源，而且在推进激光技术的发展上都起着极其重要的作用。其中著名的如AT&T 贝尔实验室，IBM,Hughes等公司的实验室。（参见12,13,14）工业研究实验室的制度可以有效把需求和机会、科学和应用结合在一起。具体来说，工

29、业实验室的作用表现在几个方面：（1）对具有潜在利润和回报领域的投资。贝尔实验室投资激光的一个直接结果是第一个使氦氖激光成功运行，这不仅是有着出色的年轻科研人员的努力，管理层的全力支持也是一个重要的因素。当时气体激光器的应用并不是那么明显，管理层设立这些项目的动机是最终的应用、市场和国防部的合同；（2）公司的激励制度引导研究与应用的结合。研究组常常或明或显地受着双重目标的指导：对基本原理的理解和改进技术，这样科学研究会沿着具有潜在应用的方向前进（6，P811）；（3）“上游”和“下游”之间的反馈。工业实验室是一个特殊的知识生产的场所：工业研究的对象常常是特殊条件下的现象（如通讯中无法确认的干扰现

30、象）或具有特殊功能的技术系统（如医疗上的激光凝固器），对于这些现象或系统的研究，会同时对改进技术和理解基本原理做出贡献。例如，为了用像激光这样发展尚不完全的部件设计和建造系统，必不可免地会对激光自身的改进提出更明确的要求。而且，这个新仪器在运行中产生了大量的以前从不知道的现象，需要作基础研究和解释，这进一步为技术的发展提供了动力；（4）科学技术的积累和扩展能力。大公司的工业实验室常常是多学科设置，多科学的科学和工程研究的齐头并进和交叉融合，大大地拓展了技术发展的空间。例如，贝尔实验室对激光的研究的包括如下方面：物理部：激光的原理和条件（不同类型的激光器），为光学通讯中的激光（半导体激光），激光

31、在工业中的应用（二氧化碳激光）；激光在物理学研究中的应用（高分辨率光谱学，拉曼散射，）和非线性光学（7，PP151-194，）；电子和无线电部：激光和光发射二极管（15,PP198-205，）；通讯科学：激光光源性质和光波传输、调制和转发（8,PP273-305）；传输技术部：激光技术和纤维光学，相关的研究（大气层对电磁波的影响，光导系统）（16；PP657-669）。在激光最重要的应用光学通讯中，贝尔实验室做出了关键的贡献，（8，PP669），而其源泉可以追溯到60年代初即开始的多种多样的相关研究。工业实验室的作用突出地表现在最重要的激光器半导体激光器发明上。自1947年晶体管发明之后，半导

32、体研究成为蓬勃发展的领域，到50年代中期每年平均有1000篇论文发表（5，P143），有大量的人力和可以利用的材料的。早在红宝石激光器发明之前，法国、日本和苏联的科学家就已对半导体激光器研究做了许多探索性研究（11，PP29-30）。但是，第一台半导体激光器却诞生在美国。究其原因有二，第一，美国半导体工业的绝对规模以及相应强大的半导体研究力量（17,P121），许多公司有着充分的样品、仪器和专家储备，转入激光的研究是很容易的事；第二，竞争的刺激。建造第一台半导体激光器的竞赛，自1961年在RCA , MIT的林肯实验室，IBM，通用电话和电子实验室（GT&E），通用电器几家实验室展开。到1962年秋天，通用电器、IBM和林肯实验室相继在一个月内成功了建造了半导体激光器。每一个实验室都有一种感觉：如果不加紧工作，别人就会取胜。半导体激光器在建立工业基础方面起着同类似晶体管的作用。在激光发展的三大R&D领域（激光武器，受控聚变和半导体激光的发展）中，半导体激光器的发展主要是工业界自己投资的。（9，P26）它的意义重大，产生了许多新的工业部门：光纤通讯；激光印刷；视听光盘，数据储存和条形码读取等。其主要原因是：体积小，制造成本低，电压和能量需求低；效率高，与半导体集成电路的符合得很好。半导体激光器是第一次真正意义上的规模生产的激光器。4激光的应用：不确定