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原子與分子的放射–雷射的發明

雷射是 laser 的音譯,它是一種激光放射的加強量子現象。雷射放射的是同頻率、單方向、共相(同調)並具有高能量的光線束。雷射現象先在微波領域發現,微波和光都是電磁波。
 
 
 
小百科

雷射是 laser 的音譯,而 laser 是 light amplification by stimulated emission of radiation 的縮寫,它是一種激光放射的加強量子現象。雷射放射的是同頻率、單方向、共相(同調)並具有高能量的光線束。

雷射現象先在微波領域發現,即先有 maser 然後有 laser,maser 就是把 laser 字中的 light 改成 microwave。微波和光都是電磁波,微波的頻率是 1 ~ 100 GHz(1 GHz = 109 Hz),我們可以看見的光線頻率大約是微波的 1 千倍,光在真空中的波長是 400 ~ 700 nm。

發明者

雷射的發明者是美國的查利.唐恩斯(Charles H. Townes)和亞瑟.夏羅(Arthur L. Schawlow)。唐恩斯和蘇俄的理論物理學家巴穌夫(Nicolay G. Basov)及普赫洛夫(Aleksandr M. Prokhorov)因激光的研究而獲 1964 年諾貝爾物理獎。夏羅和布洛柏根(Nicolaas Bloembergen)因雷射光譜學的研究獲 1981 年諾貝爾物理獎,當年還有西班(Kai M. Siegbahn)因研究電子光譜學而分享當年的物理獎。

本文只報導唐恩斯和夏羅發明雷射的經過。唐恩斯是哥倫比亞大學物理系的教授,研究專長是微波光譜學。夏羅先在貝爾實驗室工作,後轉任史坦福大學物理系的教授。夏羅和唐恩斯有連襟的關係,他倆於 1959 年 6 月提出雷射的專利申請。

靈機一動

當初唐恩斯的研究並不是想發明雷射,他的研究範疇是分子的旋轉結構。分子旋轉的能量是在微波範圍,在實驗過程中,他發現在某種特殊情況下,微波會呈現激光放射的加強量子現象。

話說 1951 年春天,唐恩斯到華盛頓參加一個美國海軍研究署主辦的研討會。有一天,天都還沒亮的時候,他因一些研究的困惑而無法再入睡,就走出旅館到附近的公園透透風,在公園中的板凳坐下來。在那裡,黎明的晨光照落大地,他突然間看到一排排整齊盛開的杜鵑花。那幾天他一直在思考如何產生高能量的光波,他突然想起愛因斯坦在 1917 年提出的激發放射量子的理論,如果利用愛因斯坦的放射量子理論,誘發分子或原子做同步放射,說不定可以得到「百花齊放」的現象。

他就坐在板凳上,從口袋裡找到一個信封,在信封背面急快地寫下他的構想。開完會,回到哥倫比亞大學的實驗室,就開始設計以氨分子為研究對象,激發氨分子旋轉能位跳遷(在微波範圍),達成能階分布反轉,也就是高能位的量子態的分布比低能位的量子態高。再利用實驗的平面共鳴腔使這些激發量子在共鳴裝置中來回跑動,最後微波會呈現受激放射的加強量子現象,他就命名為 maser。

1958 年,唐恩斯和他的連襟夏羅更進一步由 maser 推理到 laser,他們在學刊上發表了一篇論文,並向學界挑釁,徵求實驗高手製造雷射。他們在 1959 年 6 月提出專利申請。1960 年 7 月,美國休斯航空公司的物理學家麥曼(Theodore H. Maiman)做出第 1 台紅寶石雷射。

說來也巧,1960 年 3 月另外一位物理學家高特(Gordon Gould)也提出雷射專利申請。雖然他沒有發表過有關雷射的論文,但他的實驗紀錄簿有詳細記載並經過公證。

廣泛用途

雷射幾乎是無所不在,普遍應用在化學、物理、天文、地理、生物、醫療、民生、娛樂等方面。

如超市的貨物條碼識辨器和價碼掃描器,準確又快速。又如 CD 和 DVD 的應用,把音響畫像數位化,這也推廣到資訊傳播方面,如電話、電腦、印刷等的應用。在醫療方面,如基因分析、腸鏡、外科手術、去黑斑的應用。在工程方面,如測量、結構模擬的應用。在軍事方面,如雷射武器、飛機追逐的應用。很難想像,如果沒有雷射的發明,我們的科技和日常生活會有多大的不便。

擊掌回響

當初唐恩斯的研究是單純的基礎學術研究,並沒有想發明雷射。他在那清晨時刻,看到排排盛開的花,又想起愛因斯坦的放射量子理論,才進行 maser 的實驗,繼而發展到雷射,爾後才有廣泛的應用。其實大學或研究機構的許多研究都是一種基礎學術研究,基礎學術研究是指沒有特定「應用」的研究,常常是為了滿足研究者的好奇心,但是後來卻帶來廣泛的應用,這些應用常出乎發明者的原先用意。

唐恩斯有聯想力,又有連襟夏羅的參與、討論和鼓勵,使雷射的研究順利達成,唐恩斯和夏羅能先後獲得諾貝爾物理獎,實在難能可貴。尤其夏羅是以雷射光譜學的研究得獎,那時候,他已經離開貝爾實驗室轉任史坦福大學物理系教授。

深度閱讀
  1. Ira Flatow (1993) They All Laughed... From Light Bulbs to Lasers: The Fascinating Stories Behind the Great Inventions That Have Changed Our Lives, pp.119-130, Harper-Perennial, New York.
  2. http://en.wikipedia.org/laser
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