激光之父：1964年诺贝尔物理学奖得主汤斯博士

朱安远

[摘要]美国实验和理论物理学家、发明家和教育家查尔斯·汤斯是微波激射器（Maser）的主要发明者和激光器（Laser）的先驱者之一，与前苏联（现俄罗斯）物理学家和微波波谱学家巴索夫以及普罗霍罗夫分享1964年诺贝尔物理学奖，还与多人共享“激光之父”之美誉。激光技术是20世纪人类的重大技术发明之一，为了纪念汤斯教授逝世1周年并寄托笔者的深情哀思，特撰写出此长文。笔者在此全面介绍了汤斯教授的生平与家庭成员；主要学术成就与贡献；与中国的渊源以及所获雅称、奖项与荣衔，重点梳理出激光技术波澜壮阔发展历程的整个脉络和概貌，还顺便简介了并非激光器的半导体发光二极管（LED）的发展概况，简明扼要地阐述了诺贝尔自然科学奖中与激光技术密切相关的有关情况。

[关键词]查尔斯·汤斯；能级（能态）；跃迁；受激辐射；微波波谱学；核磁共振；拉比树；粒子数反转；微波激射器（Maser）；量子电子学；工作物质（增益介质）；泵浦源；光泵浦；光谐振腔；激光（Laser）；红宝石激光器；激光技术；光纤通信（光通信）；网络；全息摄影术；精密测量；激光冷却技术；玻色一爱因斯坦凝聚态（BEC）；发光二极管（LED）；发明专利；诺贝尔自然科学奖

2.8激光技术主要发展历程简述（续）

1962年休斯研究实验室美国物理学家赫尔沃斯（RobeaWillis Hellwarth，1930.12.10-）和麦克鲁尔（Fred J.McClung）在红宝石激光器的谐振腔内采用了可外部控制的克尔盒（电光元件亦可采用普克尔斯盒，即Pockels cell），通过控制反馈保持了一个巨脉冲，从而研制成功把红宝石激光器用作巨脉冲发生器的电驱动Q开关技术（Q-switching，又称调Q技术。与同样用来产生激光脉冲的锁模技术相比，该技术的重复率、脉冲能量和持续时间更长。有时，这两种技术会同时使用），这为激光器向大功率和高能量单短巨脉冲的发展打开了门户。1964年贝尔实验室哈格罗夫（Logan Ezral Hargrove）小组等研究成功激光锁模技术，应用该技术可产生高质量的脉冲输出用于精密测量。1965年美国霍尼韦尔（Honeywell）公司研究人员莫克尔（Hansw.Mocker）和明尼苏达大学柯林斯利用Q开关技术周期性地调节红宝石激光器谐振腔内部的损耗，首次实现了巨脉冲振幅调制的被动锁模，可将脉宽压缩到10 ns以下，开辟了物理学和化学研究的一个全新领域。1966年康涅狄格州联合航空研究实验室（United Aircraft Research Labs）美国籍意大利裔物理学家迪玛利亚（Anthony John DeMaria，1931.10.30-）小组利用钕玻璃激光器和饱和吸收器，借助主动锁模技术首次获得皮秒（picosecond，1 ps=10-12s）级超短激光脉冲”J，科学家们利用皮秒脉冲技术可直接探测观察到半导体中的载流子运动。机械或电动快门式高速相机拍摄一张照片的最快极限时间是1纳秒（nanosecond，1 ns=10s），2014年8月10日东京大学和庆应义塾大学研究人员在《自然·光子学》杂志网络版上报告说他们已研发出连拍速度极快的相机，每拍一张照片的时间还不到1 ps。

1963年马萨诸塞州布兰迪斯大学（Brandeis University）列姆皮基（Alexander Lempicki）等人报道了首台（非光泵浦）有机染料激光器（organic dye laser，613.1 nm）。1966年IBM托马斯·沃森研究中心索洛金和兰卡德（JohnR.Lankard，sr.）利用巨脉冲红宝石激光器泵浦氯化铝酞菁CAP（chloro-aluminium phthalocyanine）和花菁类染料溶液，共同发明4ELS光泵浦有机染料激光器（755.5nm），这是世界上首台频率连续可调的激光器，为发展可调谐激光器奠定了基础；同年德国马尔堡大学物理化学研究所物理学家西菲亚（Fritz Peter Schafer，1931.01.15-2011.04.25）小组也独立地发明了这种多波长染料激光器。染料激光器后被应用于超快光学和光谱学领域，西菲亚的专著《染料激光器》（Oye/asers，1973）是可调谐激光器领域的经典之作。1966年通用电话和电子学实验室公司（General Telephone&Electronics Labs Inc.）列姆皮基等人利用掺钕氯化氧硒（seOCl2：Nd3+，氯化氧硒是剧烈的糜烂性毒剂）为工作物质发明无机液体激光器（inorganic liquidlaser，1.055 um）。1967年可见光染料激光器问世，随即Korad公司索佛尔（Bernard H.Softer）和麦克法兰（Bill B.McFarland）发明了宽波段连续可调的有机染料激光器。1970年美国伊士曼柯达（Eastman Kodak）公司研究实验室彼得森（Otis G Peterson）小组发明了输出CW的有机染料激光器。在1972年蒙特利尔第7届国际量子电子学会议（会期：5月8～11日）上，贝尔实验室科学家首次报告被动锁模输出CW的染料激光器，稍后正式发表相关论文。1982年MIT林肯实验室莫尔顿（Peter Franklin Moulton，1946.05.27-）在慕尼黑第12届国际量子电子学会议（会期：6月22～25日）上报告：利用碰撞锁模技术，已开发出掺钛蓝宝石（Al2O3：Ti）激光器，能实现660～1180nm宽波长连续可调并利用它可产生短于100 fs的超短激光脉冲，钛蓝宝石激光器可用于取代可调谐超快激光应用的染料激光器，是当今实验室里最常用的飞秒激光器。1987年贝尔实验室贝克尔（Philippe c.Becker）小组利用脉冲压缩技术和碰撞锁模技术从染料激光器获得6 fs超短脉冲输出。2003年哈佛大学工程与应用科学学院马祖尔（EricMazur，1954.11.14-）教授用飞秒脉冲施行“分子外科手术”，在不破坏分子的前提下改变分子问的关联结构。

1963年美国光谱物理公司（Spectra-Physics Inc.，1961年9月8日由5位具有科学家和工程师背景的企业家二次创业时所创建，曾是美国最大的激光制造商）加拿大物理学家威廉·贝尔（William Earl Bell，1921-1991）发明了汞离子激光器（属气体激光器），同年美国加州能量系统公司（Energy Systems Inc.）研究人员希尔德（H.G Heard）研制成功纵向放电激励氮分子（N2）激光器（337.1 nm），它是首台紫外波段脉冲激光器。1964年休斯研究实验室美国物理学家布里奇斯（William Bill Bridges，1934-）发明了脉冲氩离子激光器（其最强的2条谱线是488.0 nm和514.5nm），它是当今实验室光谱分析的标准激光器，同年贝尔实验室美国物理学家尤金·戈登（Eugene Irving Gordon，1930.09.14-2014.09.15）小组进一步地发明了一系列输出CW的离子激光器，氖和氧等其他离子激光器（267.7～799.3 nm）也陆续研制成功，1967年问世的氦铬离子激光器可辐射441.6 nm的深蓝色激光。1964年贝尔实验室印度电气工程师佩特尔（Chandra Kumar Naranbhai Patel，1938.07.02-）博士发明了首台高功率激光器——放电激励C02激光器（次年佩特尔又研制出200 w的CW CO2激光器），它通过分子振动一转动能级间的跃迁可辐射10.6 um的激光束，这是现今常用的大功率气体激光器，它是被应用于机械加工、医疗手术刀、光学和非线性光学领域最广泛的一种激光器。1966年马萨诸塞州Avco Everett研究实验室工程师格里（Edward T.Gerry）和康特罗维茨（Arthur Robert Kantrowitz，1913.10.20-2008.11.29）研制成功基于CO2的气体动力激光器GDL（gasdynamic laser，其连续输出功率最高现可达几百kW），1975年美国福特汽车公司首先将输出功率6 kW的C02激光器用于自动流水线的焊接工序。1964年4月贝尔实验室美国物理学家戈依西克（Joseph EdwardGeusic，1931.11.21-）小组发明了卤钨灯泵浦在室温下输出CW的掺钕钇铝石榴石YAG（yttrium aluminium garnet，Y3AlsOx2：Nd3+）激光器（1.064 um，1962年6月贝尔实验室曾报告过首台YAG激光器），其阈值低、增益大，是目前中小功率固体激光器中性能最好和应用最广的一种激光器。1972年普朗克固体物理和材料研究所（斯图加特）德国物理学家丹尼迈尔（Hans Gtinter Danielmeyer，1936.03.05-）和奥斯特迈耶（Frederick w.Ostermayer，Jr，1937.08.12-2012.06.29）采用半导体激光二极管（LD）泵浦YAG：Nd3+固体激光器，首次实现了在室温下工作的全固态激光器DPSSL（dlode pumped solid state laser，简称为DPL=diode pumped lfd-ser），它综合了固体激光器和半导体激光器各自的优点。

加拿大籍德国裔物理化学家波拉尼（1987CH33）最早提出制造化学激光器的可能性，1964-1965年UCB科学家凯斯帕（Jerome V.V.Kasper，西德人）和皮蒙特（George Claude Pimentel，1922.05.02-1989.06.18）发明三氟碘甲烷（CF3I）/碘甲烷（CH3I）脉冲光解碘原子化学激光器（1.3um）和氯化氢（HCl）化学激光器（3.7um），为激光器的研制开辟出一个全新领域，因其输出功率大而引起军方的关注和重视。1977年新墨西哥州美国空军武器实验室麦克德莫特（William Edward McDermott）小组研制成功输出CW的化学氧碘激光器COIL（chemical oxygen iodine laser，1.315 um），它是一种运转在电子态跃迁的高功率化学激光器，具有转化效率高、输出功率大、波长短和毒性小等优点，适宜于光纤传输，在军事和工业上可一展身手。1999年美国空军研究实验室的赫伯林（John M.Herbelin）小组研制成功全气相化学碘激光器AGIL（all gas-phase chemical iodine laser）。

由于激光的单色性、高强度和短脉宽等优异特性，自然地成为同位素分离的理想光源。1964年法国物理学家罗比欧克斯（Jean Robieux，1925.10.15-2012.06.14）等人系统地论述了激光分离同位素的问题，1967年肖洛小组首次用激光进行了分离同位素的尝试，1970年迈耶（Stanley w.Mayer）小组首次利用氟化氢气体激光器成功地分离出氢的同位素氘。

1966年美国犹他大学物理学家萧法斯特（William Thomas Silfvast，1929.04.08-）小组发明了金属蒸气激光器MVL（metal-vapor laser），他所发明的氦镉金属蒸气激光器是当今实验室里最常用的紫外连续激光器，它输出波长为325 nm的紫外激光谱线功率可达30 mW以上。美国技术研究集团TRG（Technical Research Group，1970年被控制数据公司兼并而解散）公司威廉·沃尔特（William T.Walter）小组对碱金属（铜）蒸气激光器（绿光510.6 nm，黄光578.2 nm）的发明亦作出过贡献。

1969年美国施乐公司帕洛阿尔托研究中心PARC（Palo Alto Research Center）工程师斯塔克维斯（Gary Keith Starkweather，1938.01.09-，被誉为“激光打印机之父”）演示了激光束控制的静电复印机，1971年他通过修改一台施乐复印机而研制出世界上首台激光打印机。1976年7月（1975年4月15日宣布）IBM公司推出世界上首款商用激光打印机IBM 3800 Model 001，体积大且笨重；1977年施乐公司推出其首款商用激光打印机Xerox 9700，其通用性更强，打印速度是120 ppm（pages per minute）；1979年日本佳能（canon）公司推出首款使用半导体激光器的激光打印机；1984年美国惠普（Hewlett-Packard，HP）公司发布其首款桌面激光打印机HP LaserJet Classic，随后高质量和低成本的HP LaserJet激光打印机迅速成为世界上最流行的个人桌面激光打印机。

1969年7月21日，乘坐“阿波罗11号”（Apollo 11，7月16日13：32：00 UTC在佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，7月20日20：17：43 UTC登陆月球，7月24日16：50：35 UTC返回地球）登月的宇航员阿姆斯特朗（Neff Alden Armstrong，1930.08.05-2012.08.25，其左脚最早登月时刻是7月21日02：56：15 UTC）和奥尔德林（Buzz Aldrin，原名Edwin Eugene Aldrin，Jr，1930.01.20-，具体踏足月球时刻是7月21日03：15：16 UTC）在月球上的“宁静海”登陆后，将月球激光反射镜留在“月球行走者”（Moon walker）上，利用红宝石激光测距仪产生的激光脉冲回波就可精确测量地球和月球之间的距离。

1970年前后科学家们通过对染料激光器的研究发现，谐振腔可以通过内置光栅的分布式反馈DFB（distributed feedback）来实现，由此而提出DFB激光器的概念。1971年贝尔实验室工程师科格尔尼克和香克（Charles V.Shank，1943.07.12-）在DFB结构实验中首次观察到激射现象，次年他俩运用电磁场的严格耦合波RCW（rigorous coupled-wave）理论系统地分析了DFB激光器的工作原理和特性，提出它存在折射率耦合和增益耦合2种反馈方式。1973年通过光泵浦GaAs周期性金属栅表面，日立（Hitachi）公司中村道治（Miehiharu Nakamura，1942.09.09-）小组研制成功首台DFB半导体激光器，其后不同材质制作的DFB激光器陆续问世。DFB激光器现有DFB半导体激光器和DFB染料激光器两类，其与众不同之处是内置光纤布拉格（布拉格父子=亨利·布拉格+劳伦斯·布拉格=1915PH21+1915PH22）光栅FBG（fiber Bragg grating）来构成谐振腔，利用光栅的分布式反馈来实现纵模选择。与普通半导体激光器相比，它具有单纵模、低损耗、带宽窄、波长可调谐和频率稳定性好等突出优点，被广泛应用于长距离光通信领域。液晶激光器LCL（liquid-crystal laser）通常以激光染料作为工作物质，以光源作为泵浦源，以液晶作为提供反馈的谐振腔，其中常用的液晶材料是胆甾相液晶CLC（cholesterie liquid crystal，又称螺旋状相液晶）。1978年前苏联科学家库赫塔列夫（NickolaiV.Kukhtarev）从理论上分析了利用胆甾相液晶作谐振腔，以激光染料作为工作物质的DFB激光器，自此开始胆甾相液晶激光的研究。1980年前苏联伊尔基钦（IgorP.Ilehishin）小组首次报道研制成功可调染料掺杂胆甾相液晶激光器。

1960年荷兰-奥地利-德国原子和核物理学家豪特曼斯（Friedrieh Georg”Fritz”Houtermans，1903.01.22-1966.03.01）首先提出将准分子作为激活介质以实现激光振荡的建议。1970年巴索夫小组利用强电流电子束激励液态氙，获得Xe2准分子激光输出，从而发明了（无机）准分子激光器（excimer laser，172 nm），为开拓紫外尤其是真空紫外激光器开辟了新途径。1975年5月15日AvcoEverett研究实验室工程师布劳（Charles A.Brau，1938.11.04-）和尤因（James J.Ewing）发明了稀有气体卤化物XeF准分子激光器（354 nm），氟化氪（KrF）准分子激光器（193 BE）已成为现代大规模集成LSI（largescale integration）电路和超大规模集成VLSI（very LSI）电路光刻的主要光源。

自由电子激光器FEL（free-electron laser）是利用高速运动的自由电子将动能转变成激光能量来工作，其运行机制不同于普通激光器，它是所有激光器种类中最为复杂的一种。1951年斯坦福大学物理学家莫兹（Hans Motz，1909.10.01-1987.08.06）首先提出可用一个磁摆动器（又译为波荡器，undulator）使高速电子束通过时形成周期性摆动，条件合适时就会产生相干电磁辐射。1971年斯坦福大学物理学家马戴（John M.J.Madey，1943-）在《周期性磁场中的受激轫致辐射》一文中首先提出了自由电子激光的概念，1977年斯坦福大学迪肯（David A.G.Deacon）小组发明了自由电子激光器（3.4 um），电子的每一次反射都向电磁场辐射能量，它在红外波段相当宽的频率范围内是连续可调的。1895年11月8日德国物理学家伦琴（1901PH）首先发现x射线，其波长一般在0.01～10 um，对应频率范围是3×10Hz（即30 EHz）～3×10Hz（即30 PHz）。根据x射线波长的不同，一般可分为超硬x射线（<0.01 nm）、硬x射线（0.01～0.10 nm）、软x射线（0.1～1.0 nm，有时亦取0.5～1.0 nm）和超软x射线（>1 nm，又称浅层x射线）四类，波长越短其能量越大，穿透力越强。x射线激光器XFEL（x-ray FEL=x-ray laser，即Xaser）实质上就是一种特殊的自由电子激光器。1967年贝尔实验室杜瓜伊（Michel A.Duguay，1939.09.12蒙特利尔一）等人首先提出基于原子内部壳层电子光电离产生粒子数反转以实现x射线激光的机制并申请了美国专利，但由于此方案需要一个极高功率的泵浦源，故一直无法实现。此后虽有多人曾声称研制出x射线激光器，但都被否决，故文献[57]P2中的“1967年，Duguay和Rentzepis研制出第一台x射线激光器”描述有误。1980年英格兰赫尔大学（University of Hull，1927年成立，原名University CoHege Hull，1954年5月13日取得皇家特许状和独立大学资格）物理学家珀特（Geoffrey James Pert，1941.08.15-）小组通过FEL首次观察到x射线激光辐射。1984年10月29日，在波士顿举行的美国物理学会等离子体分会上，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和普林斯顿等离子体物理实验室PPPL（Princeton Plasma Physics Laboratory，1961年创建）的研究人员共同宣布研制成功软x射线激光器SXFEL（soft x-ray FEL）：①LLNL实验室利用当时世界上最大的Novette激光装置[1983年建成，属激光泵浦钕玻璃激光器，不久即被1984年建成的更大功率的Nova固体激光器（1999年被拆除）所代替]产生的两路激光，采用电子碰撞激励机制中的类氖离子法，通过激光等离子体中的自由电子和离子碰撞，从两面聚焦在高z（原子序数）材料硒（se）箔膜靶上，首次成功地在20.63 nm和20.96nm波长上产生了高增益的软x射线激光（严格意义上说应是极短紫外激光），改用高z材料钇（Y）箔膜靶则得到15.49 nm和15.72 nm两条谱线。②PPPL实验室采用CO2激光照射一强磁场约束的三体复合激励法，在CO2激光器照射碳靶（C）产生的等离子体柱中首次观察到18.2nm的激光增益现象。它们都是核聚变研究的副产物。核泵浦x射线激光器作为激光武器的应用前景早已引起各国军事部门的密切关注。1992年中佛罗里达大学电光学和激光研究中心（CREOL）萧法斯特小组对软x射线激光器的应用和研究作出过重要贡献，萧法斯特是有影响力的教科书《激光原理》（laser Fundamentals，2004年，剑桥大学出版社）的作者。

美国能源部直线加速器相干光源LCLS（1inac coherent light source）工程由以下3个实验室合作组织并共同实施：①斯坦福直线加速器中心SLAC（Stanford Linear Accelerator Center）创建于1962年，2008年10月起更名为SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory，简称仍沿用SLAC），负责加速器系统。②阿贡国家实验室ANL（Argonne National Laboratory，1946年7月1日成立），负责波荡器系统（undulators system）。③利弗莫尔国家实验室（LLNL），负责x射线光学系统，2001年它研制成功固体热容激光器SSHCL（solid-state heat-capacity laser）。2009年4月世界上首台亚纳米波段硬x射线激光器HXFEL（hard xray FEL，即LCIS）在SLAC建成。经精确调谐，LCLS可提供波长为0.12-2.60 nm的100 fs级硬x射线激光脉冲，其亮度比第三代同步辐射光源高10亿倍，是目前波长最短、能量和亮度最高的x射线，这一成就具有划时代的意义。

1974年贝尔实验室物理学家查尔斯·亨利（Charles Howard Henry，1937.05.06-，时任半导体电子研究部负责人）小组发现双异质结激光器的量子阱效应（双异质结忽略渐变态就构成量子阱，由一个势阱构成的量子阱结构称单量子阱SQW，由多个势阱构成的量子阱结构称多量子阱MQW）并获得美国专利。1975年贝尔实验室物理学家范德惹尔（Jan P.van der Ziel）小组采用分子束外延MBE（molecular beam epitaxy）技术，首先用GaAlAs/GaAs类材料制成半导体量子阱激光器QWL（quantum well laser），当时它须在液氮温度下才能较好地振荡。1978年伊利诺伊大学厄巴纳一香槟分校（UIUC）物理学家何伦亚克及其罗克韦尔国际公司（Rockwell International Corp.）的学生们协作研制成功电泵浦注入式量子阱激光器，它大幅度地提高了半导体激光器的各种性能。1979年何伦亚克小组又报告了首台多量子阱半导体激光器。1990年美国人研制的畸变量子阱激光器的开关速度高达280亿次/秒，这是激光器有史以来可达到的最高开关速度。1971年前苏联物理学家卡扎林诺夫等人首先提出量子级联激光器QCL（quantum cascade laser）的概念，1994年贝尔实验室费斯特（Jerrme Faist）小组（包括华裔物理学家、电气工程专家、MBE之父、1993年美国国家科学奖得主卓以和博士）发明了量子级联激光器，开创了利用宽带隙半导体材料研制中远红外半导体激光器的先河，这是半导体激光领域的又一次革命性进展。量子级联激光器集量子工程和分子束外延（MBE）技术于一体。同年前苏联约飞物理技术研究所物理学家勒当索夫（Nikolai Nikolacvich Ledentsov，1959.05.03-）小组研制成功自组织量子点激光器（self-organized quantumdots laser）。贝尔实验室美籍华裔科学家曾焕添（WonTien Tsang）博士将MBE和金属有机物化学气相沉积法MOCVD（metal organic CVD）的主要优点相结合于1984年发明了一种新的外延生长技术——化学束外延CBE（chemicalbeam epitaxy），因CBE反应炉设计方面存在一些问题有待解决，CBE尚未像MBE那样得到广泛认可。

1974年6月26日在美国俄亥俄州迈阿密县（Miami county）特洛伊市（Troy city）Marsh超市上市的箭牌（Wrigley）公司黄箭牌口香糖（1盒10条包装）是最早使用条形码的商品，激光条形码扫描器的使用标志着激光开始进入大众商品领域。世界上首张CD唱片是1978年美国著名歌手比利·乔尔（William Martin Billy Joel，1949.05.09-）的专辑《第52街》（52nd Street）。由美国MCA（Music Corporation of America）公司（曾与菲利普公司合作）制造的首台激光影碟LD播放机于1978年12月15日在亚特兰大上市，价格昂贵且影响不大。1979年3月8日荷兰菲利普（Phillips）公司在艾恩德霍芬市（Eindhoven）演示了首个基于激光光盘（CD）的数字音乐播放系统，1982年10月1日首款商用音频CD（audio CD）播放机Sony CDP-101在日本索尼（sony）公司问世，它揭开了数字音频革命的序幕。1993年视频光盘（VCD）面市并由索尼、菲利普、日本松下（Matsushita）和日本胜利株式会社JVC（Victor Company of Japan）实行标准化。1995年日本东芝（Toshiba）公司推出数字多用途光盘DVD播放器（采用650 nm半导体激光器和12 cm碟片）并实行DVD标准化。

1979年东京工业大学双田晴久（Haruhisa Soda）和伊贺健一（Ken-ichi Iga）小组发明垂直腔面发射激光器VCSEL（vertical cavity surface emitting laser），输出的激光束垂直于腔面，具有低阈值电流和圆光束截面单模等特征，1985年成功实现电泵浦室温连续工作。1993年贝尔实验室光学物理学研究室负责人斯鲁施尔（Riehart Elliott Slusher）通过大面积集成，研发出垂直腔面发射二维LD阵列，其单个激光器的直径仅几微米，故被称为“微激光器”，这是半导体激光器发展史上的又一个里程碑。1994年德国斯图加特大学物理学家吉森（Adolf Giesen，1946-）小组发明了半导体泵浦的薄片型固体激光器（thin-disk laser），大大提高了激光器的输出功率和光束质量，2007年时单片激光发射的功率已超过5 kW。

1985年纽约州罗切斯特大学（Unwemity of Rochester）激光动力学实验室物理学家斯特里克兰（Donna Striekland）和穆鲁（Gerard Mourou）共同发明啁啾脉冲放大器CPA（chirped pulse amplification），从而成为超快超强激光领域的先驱。利用CPA可获得太瓦（1 TW=10w）级短脉冲。因采用CPA和光参量啁啾脉冲放大OPCPA（optical parametric CPA）等技术，高强度和超短脉冲激光的发展非常迅速，啁啾脉冲放大技术已成为实现大功率超短脉冲激光的关键技术。1996年LLNL研制成功首个峰值功率高达拍瓦（1 PW=10W）级的脉冲激光器，次年该实验室运用拍瓦级飞秒超强激光脉冲产生了反物质，诱导出百万电子伏特（10eV）级的核反应，原来这是需要大型粒子加速器才能实现的。2001年德国比勒费尔德大学（Bielefeld University）德雷舍（Markus Drescher）小组首次成功地利用阿秒激光脉冲探测到氪原子被x射线激发后，电子随时间的跃迁过程，阿秒激光相关科学现已成为超快科学研究的最前沿领域。2008年普朗克量子光学研究所（慕尼黑Garehing，成立于1981年）运用超快激光脉冲照射氖，获得80 as的极短脉冲（2014年时的最短纪录已达48 as）。

2003年9月18日由美国NASA马歇尔航天飞行中心、德莱顿飞行研究中心（Dryden Flight Research Center，位于爱德华兹空军基地）和阿拉巴马大学组成的研究小组对模型机成功地进行了一次室内飞行测试，研制出激光动力遥控飞机。

2009年罗切斯特大学光学研究所高强度飞秒激光实验室郭春雷小组利用飞秒激光辐照金属表面，可获得有纳米结构覆盖的激光诱导的周期性表面结构NC-LIPSSs（nanostructure-covered laser-induced periodic surface structures）。他们在辐照白炽灯的钨丝时发现NC-LIPSSs可大幅度提高灯泡的发光效率，利用飞秒激光技术加工后的灯泡所消耗的能量只约为普通灯泡的一半，这对提高能源利用具有重要的应用价值。

2010年奥地利因斯布鲁克大学研究小组成功研制出单离子激光器（又称单原子激光器），它既拥有经典激光器的特性，又拥有离子（原子）-光子相互作用的量子力学特性。2011年德国科学家率先实现了用单原子存储量子信息（将单个光子的量子状态写入一个铷原子中，经过180us后将其读出），此突破有助于科学家们研制出功能超级强大的量子计算机，并让其远距离联网构建量子网络。

2010年由耶鲁大学华裔理论物理学家张毅东（Yidong Chong之音译）领衔的研究小组首先从理论上提出相干完美吸收器CPA[coherent peffect absorber，又称反激光器（antilaser）]的概念，2011年由耶鲁大学应用物理学家曹惠（北京大学物理学系86级才女）领导的研究小组研制成功世界首个硅基反激光器而备受瞩目，该成果有助于硅基集成光子器件、光学通信和未来光学计算机的发展和应用。CPA产生于光学吸收和光学干涉的相互作用，是一种操控光波及其吸收的新方法。CPA系统具有光学过程上与一般光放大激光器存在时间反演关系，能够完全吸收相干入射光等反激光器特性。CPA将两束相同频率的光集中于含有一个硅晶片的谐振腔中，硅晶片作为“损耗媒介”捕捉光波，直到光波在往返振荡过程中被完全吸收并转化为热量，即CPA能完全吸收入射激光束。2011年美国研究人员在英国《自然·光子学》杂志上报告研制成功世界上首个生物激光器（细胞激光器），他们首先利用基因工程改造人体的肾脏细胞使其表达源自水母的绿色荧光蛋白GFP（green fluorescent protein，因其荧光性，常在细胞生物学中作为标记物。GFP的发现和发展是2008年诺化奖的获奖成果），然后采用光照射在外置光谐振腔中得到了绿色激光束。

文献[91]回忆了激光发明50年的历史沿革，现将笔者发现的该文差错指出并纠正如下：（I）P448左侧“在1969年开发出单模掺钕光纤放大器”中的“1969年”系“1996年”之误。（Ⅱ）P448左侧中将约翰森和纳桑1961年发明的掺钕钨酸钙（CaW04：Nd）激光器误为1964年才发明的掺钕钇铝石榴石（YAG：Nd）激光器。

（Ⅲ）P452左侧“1995年：w.Phillips在美国国家标准局运用激光冷却达到1 mK的低温”中存在2处错误：①1988年时美国国家标准局（NBS）已更名为国家标准和技术研究所（NIST）；②“1 mK”显然系“1 uK”抑或是“1 nK”之误，因为1995年年底时的世界极低温纪录已达3 nK（刷新了当时的全球最低温纪录），2003年时的世界纪录进一步地达到0.5 nK，现已向pK数量级迈进。

由于激光器的发明、发展及其在各学科中的应用而逐渐发展起来的物理学理论称激光物理学（laser physics），它主要研究激光器的基本原理、激光束的基本性质及相关理论。激光技术作为一门新兴科技，是20世纪现代物理学的一项重大成果，它是量子理论、无线电电子学、微波波谱学和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孕育出来的璀璨成就。其发展史充分表明物理学理论对技术发明的预见性，它本身的发展历程也大大促进和推动了现代物理学和现代科学技术的发展。以激光和半导体光电子为主流技术的近代光学已形成庞大产业。

2.9光通信网络发展简史

通信技术领域主要涉及光纤通信、电缆通信和无线电通信，人们将通信的能力称为带宽，光纤通信是能够提供最大带宽的通信技术。

光导纤维（简称光纤，optical fiber/fibre）是一种可以传导光的传输介质，它具有把光封闭在其中并进行长距离传输的功能。根据光传输模式的不同光纤分为多模光纤（线芯较粗，50～200 um，按其折射率的分布分为突变型和渐变型2种，现多为渐变型）和单模光纤（线芯较细，3～12um）2种。单模光纤只允许一种模式的光通过，传输带宽宽、色散低、损耗小，通常采用激光器做光源，价格较高，最适于长距离传输。多模光纤可在给定工作波长上传输多达数百种模式的光，可采用便宜的LED做光源，相应的耦合器和接线器价格低廉，适宜于中短距离和小容量的光纤通信系统。根据材质的不同光纤可分为塑料光纤（价格低廉）、玻璃光纤（价格较低）和石英光纤（价格较高，光损耗小）三种。光纤通信（简称光通信）则是指用光波作为载波携带信息，以光纤作为传输介质传送光波信号（介质光波导）的一种通信方式。

玻璃纤维（fierglass或glass fiber）是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多。早在1713年法国物理学家列奥谬尔（Rene Antoine Ferchault de Reaumur，1683-1757，列氏温标首倡者）就制成过玻璃纤维织物。1926年12月30日纽约长岛RCA Rocky Point实验室美国电子工程师汉塞尔（Clarence Weston Hansell，1898.01.20-1967.10.01）在笔记本上归纳出光纤束成像原理并申请了利用玻璃光纤（实际上就是非常纤细的小棒）传输图像的美国专利。

1948年贝尔实验室美国数学家、电子工程师和密码专家香农（Claude Elwood Shannon，1916.04.30-2001.02.26，被誉为“信息论之父”）发表著名论文《通信的数学原理》，它奠定了现代通信理论的基础，标志着信息论（香农三大定理是信息论的基础理论）的正式诞生。

1951年美国光学物理学家奥布莱恩（Brian O'Brien，1898.01.02-1992.07.01）和荷兰物理学家范海尔（Abraham Comelis Sebastiaan”Bram”Van Heel.1899.07.17-1966.05.18）分别独自提出石英光纤结构中“包层”（cladding）的概念。1954年范海尔发现透明低折射率光纤包层的作用，同年英国物理学家哈罗德·霍普金斯（HaroldHorace Hopkins，FRS，1918.12.06-1994.10.22）和美国籍印度裔物理学家卡帕尼（Narinder Singh Kapany，FREng，1926.10.31-）合作，成功实现用一束1～2万根纤维来传输图像，这是光纤发展史上的一个重大突破。1956年卡帕尼首创“fiber optics”（光导纤维）这一术语，被誉为“光纤之父”（Father of fiber optics），高锟则是“光纤通信之父”（Father of fiber optic communications，有时也简称为“光纤之父”，实际上这并不妥当，抑或可称之为“通信光纤之父”）。大数量纤维实现图像传输成功和光纤结构包层的应用标志着光纤作为一个新兴学科的诞生。

1966年英国标准电信实验室STL（standard Telecommunication Labs Ltd.）物理学家高锟（1996年当选为中国科学院外籍院士）和工程师霍克哈姆（George Alfred Hockham，FREng，FIET，1938.12.07-2013.09.16）合作发表划时代的著名论文《光频率介质纤维表面波导》，提出低吸收率石英基玻璃纤维（光纤）可用作光通信媒介，以解决双绞铜线的电话通信容量问题，建立了光纤通信物理模型（1963年西泽润一曾提出并初步实现了集束型玻璃光纤通信），描述了采用超纯硅低损耗（光损耗<20 dB/km）单模光纤进行长距离（>100 km，原有技术只能传输20 m）和大容量（1 Gb）光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性，此项重大研究成果是光通信和光电子学的重要里程碑，奠定了光纤通信的基础，开启了光纤通信的大门。1970年8月纽约州康宁玻璃厂（coming Glass Works，现康宁公司Coming Inc.）的4位博士毛瑞尔（Robert D.Manrer，1924.07.20-）、彼得·舒尔茨（Peter C.Sehultz，1942.12.03-）、柯克（Donald B.Keck，1941.01.02-）和兹曼尔（Frank Zimar）在化学气相沉积CVD（chemical vapor deposition）过程中采用新的处理方法（在纤芯中掺杂钛），根据高锟和霍克哈姆的思想首次成功研制出世界上第一根低损耗（波长633 nm时达到16 dB/km，掺杂物用锗替换钛，1972年6月康宁光纤产品损耗可达4dB/km）单模石英光纤样品（L=30 m），标志着光通信技术的重大突破。加上同年贝尔实验室研制成功室温下连续工作的GaAlAs半导体激光器，故1970年常被称为光通信元年。康宁公司在这一重大突破的基础上研制出大规模生产光纤的工艺，引领了通信产业的革命，使得低成本、高容量光通信系统逐渐进入人们的日常生活。1973年首个光纤通信实验系统在贝尔实验室建成。光通信网络现已覆盖全球，构筑成信息高速公路。

采用OVD（outside vapor deposition）/MCVD（modifiedCVD）/VAD（vapor axial deposition）/PCVD（plasma-en-hanced CVD）法先制成预制棒，然后再拉成光纤，这已成为制造低损耗高质量石英光纤的常规方法。

光通信发展史上的五个发展阶段依次是：①第一代光网通信的标志：1977年5月世界上首个商用光通信系统由贝尔实验室在芝加哥2个相距7 km的电信局街道之间敷设完毕，采用点到点的通信方式进行实况电话传输，光源是GaAlAs半导体激光器（0.85um），多模渐变型玻璃光纤的光损耗是2.54 dB/km，传输速率是44.736 Mb/s，中继距离是8～10km，光电检测器采用硅材料的光电二极管。②第二代光网通信和第一代光网通信几乎是并行发展的，1981年建成。光源采用铟镓砷磷/铟磷（InGaAsP/InP）半导体激光器，波长延伸到1.31um，多模渐变型石英光纤的光损耗是1 dB/km，传输速率是140 Mb/s，中继距离是20～40 km，光电检测器采用锗材料的光电二极管。③第三代光网通信：始于1982年12月美国通信公司MCI（Microwave Communications，Inc.，1963年10月3日成立）敷设纽约到华盛顿光纤系统时开始采用单模石英光纤，激光波长仍为1.31 um，光损耗是0.3～0.5dB/km，传输速率是1 Gb/s，中继距离是50～60 km。1988年12月14日首条横跨大西洋的海底光缆TAT-8由AT&T公司投入运行（2002年退役），长6100 km，经由2对传输波长为1.31 um激光的单模光纤，可同时传输4万个声音信号，传输速率是2.5 Gb/s，每67 km经光一电一光中继一次。④第四代光网通信：1990年前后采用特种光纤（如色散平坦光纤和非零色散位移光纤等）传输DFB 1.55um（此波长是单模石英光纤的最低损耗窗口）的激光，光损耗进一步降至0.2-0.3 dB/km（如今光纤的衰减系数在波长为1.55um时的最小值已达0.16 dB/km，接近于理论极限值0.15 dWkm），传输速率达10 Gb/s，中继距离是80～150 km。这个时期ED-FA的应用成为光通信发展史上的重要里程碑。⑤1995年起已进入第五代高速光网通信阶段，随着波分复用WDM（wavelength division multiplexing）、光时分复用OTDM（optical time division multiplexing）、稀疏波分复用CWDM（coarse WDM）和密集波分复用DWDM（dense WDM，可取代单信道EDFA）技术的发明和应用，可充分利用光纤带宽，有效扩充通信容量，用光波放大增长传输距离。DWDM技术可用来提高现有光纤骨干网上的带宽和容量，开启了光通信史上的又一次革命。1996年12月31日首条跨越太平洋的洲际海底光缆TPC-5建成使用，采用光放大器而无须光-电-光中继，可同时传输32万个声音信号，传输速率是TAT-8的8倍。1998年6月4日，全波光纤诞生标志着光纤历史的又一个里程碑。2001年时商用型光通信系统的速率已达10Tb/s，2014年8月8日中国《科技日报》报道：丹麦科技大学研究人员利用特制的单一多芯（7芯）光纤研发出世界上最快（43 Th/s）的网络。