教育家查爾斯·湯斯是微波激射器（Maser）的主要發(fā)明者和激光器（Laser）的先驅(qū)者之一，與前蘇聯(lián)（現(xiàn)俄羅斯）物理學(xué)家和微波波譜學(xué)家巴索夫以及普羅霍羅夫分享1964年諾貝爾物理學(xué)獎，還與多人共享“激光之父”之美譽(yù)。激光技術(shù)是20世紀(jì)人類的重大技術(shù)發(fā)明之一，為了紀(jì)念湯斯教授逝世1周年并寄托筆者的深情哀思，特撰寫出此長文。筆者在此全面介紹了湯斯教授的生平與家庭成員；主要學(xué)術(shù)成就與貢獻(xiàn)；與中國的淵源以及所獲雅稱、獎項與榮銜，重點梳理出激光技術(shù)波瀾壯闊發(fā)展歷程的整個脈絡(luò)和概貌，還順便簡介了并非激光器的半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的發(fā)展概況，簡明扼要地闡述了諾貝爾自然科學(xué)獎中與激光技術(shù)密切相關(guān)的有關(guān)情況。
[關(guān)鍵詞]查爾斯·湯斯；能級（能態(tài)）；躍遷；受激輻射；微波波譜學(xué)；核磁共振；拉比樹；粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；微波激射器（Maser）；量子電子學(xué)；工作物質(zhì)（增益介質(zhì)）；泵浦源；光泵浦；光諧振腔；激光（Laser）；紅寶石激光器；激光技術(shù)；光纖通信（光通信）；網(wǎng)絡(luò)；全息攝影術(shù)；精密測量；激光冷卻技術(shù)；玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）；發(fā)光二極管（LED）；發(fā)明專利；諾貝爾自然科學(xué)獎
[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.05.167
2.5 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)
一般情況下，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（population inversion，又譯為集居數(shù)反轉(zhuǎn)、居量反轉(zhuǎn)、群數(shù)反轉(zhuǎn)）是產(chǎn)生Maser/Laser的先決條件。兩能級間受激輻射概率與兩能級粒子數(shù)差有關(guān)。通常情況下，處于熱平衡不同能級的粒子服從玻爾茲曼分布，即處于低能級E1的粒子數(shù)大于處于高能級E2的粒子數(shù)，這種分布是粒子數(shù)的正常分布，只能得到普通光。為了得到激光，就必須使用電、光及其他方法對工作物質(zhì)進(jìn)行激勵，設(shè)法把處于基態(tài)的粒子大量激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，使得高能級E2上的粒子數(shù)大大超過低能級E1上的粒子數(shù)，在受激輻射作用下，工作物質(zhì)就能對某一特定波長的光輻射產(chǎn)生放大作用（即光放大）。這樣就可在高能級E2和低能級E1之間實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。
科學(xué)家們通過對原子能級系統(tǒng)的深入研究，發(fā)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能級系統(tǒng)幾乎全部可歸納為3能級系統(tǒng)3ELS（three energy levels system）和4能級系統(tǒng)4ELS（four energy levels system）兩類。在3能級系統(tǒng)中，E0是基態(tài)能級，E1是亞穩(wěn)態(tài)能級，E2是激發(fā)態(tài)泵浦高能級，在E1和E0之間產(chǎn)生激光。其主要特征是激光的低能級是基態(tài)，發(fā)光過程中低能級的粒子數(shù)會一直保持有相當(dāng)?shù)臄?shù)量，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的效率較低。在4能級系統(tǒng)中，E0是基態(tài)能級，E1是激發(fā)態(tài)能級，E2是亞穩(wěn)態(tài)能級，E3是激發(fā)態(tài)泵浦高能級，在E2和E1之間產(chǎn)生激光。因激光的低能級是一個激發(fā)態(tài)，常溫下基本上是空的，其激勵能量要比3能級系統(tǒng)小得多，更容易獲得激光。
前蘇聯(lián)物理學(xué)家法布里坎特（Valentin Aleksandrovich Fabrikant，1907.10.09—1991.03.03）是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)這一重要物理思想的首倡者和踐行者。他在討論氣體放電的發(fā)光機(jī)理時，分析了由負(fù)吸收產(chǎn)生光放大的可能性，以及由此所引起的光強(qiáng)度增加和方向性的問題。他根據(jù)拉登堡發(fā)現(xiàn)的吸收系數(shù)、愛因斯坦A/B系數(shù)和粒子數(shù)分布的關(guān)系指出：要使輻射通過介質(zhì)不但不衰減而且還要放大的話，就必須實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)[1]，為此他用氦（He）的388.9 nm譜線激勵銫（Cs）原子，觀察到原子能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。1940年他在博士論文中首先提出了產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)方法，這一獨到見解是從愛因斯坦受激輻射理論向構(gòu)思激光器技術(shù)原理邁出的極為重要的一步，因為它指明了產(chǎn)生激光的最重要條件。
1947年4月拉姆（又譯為蘭姆，Willis Eugene Lamb，Jr.，1913.07.12—2008.05.15，1955PH21）和美國物理學(xué)家雷瑟福（Robert Curtis Retherford，1912—1981）通過波譜學(xué)實驗方法發(fā)現(xiàn)氫原子的亞穩(wěn)態(tài)及其光譜線不是單一的黑線，而是由一些不連續(xù)的非常接近的譜線系列組成，后來人們把氫原子光譜的這種雙線結(jié)構(gòu)稱為拉姆位移（Lamb shift）。在他倆發(fā)表關(guān)于氫原子光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的著名論文的一個附注中指出通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可以期望實現(xiàn)感應(yīng)輻射（induced emission），即受激輻射。[2～3]他倆的興趣只是在氫原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)方面，并沒有把負(fù)吸收和自持振蕩聯(lián)系起來，僅是在論文中添加一個附注而已，故將此說成是受激輻射的第一個實證是不妥當(dāng)?shù)摹?950年拉姆明確提出氣體放電中的電子碰撞可以改變粒子的集居數(shù)。
粒子數(shù)反轉(zhuǎn)這一思想至關(guān)重要，然而當(dāng)時在人們的心目中，認(rèn)為這是不可思議的。因為在熱平衡條件下，低能級粒子數(shù)總是比高能級粒子數(shù)多，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就必須破壞熱平衡，故粒子數(shù)反轉(zhuǎn)思想當(dāng)時并未引起人們的重視。
1948年珀塞爾有意識地研究了磁場中各子能級的集居數(shù)。1950年珀塞爾和美國物理學(xué)家龐德（Robert Vivian Pound，1919.05.16加拿大安大略省—2010.04.12）利用微波波譜學(xué)的方法研究氟化鋰（LiF）晶體中原子核磁矩構(gòu)成的順磁體系，為了更進(jìn)一步地弄清楚磁共振信號的來源和增強(qiáng)微波信號，他倆特意采用突然反向靜磁場法。當(dāng)外磁場極性改變比核自旋—晶格弛豫時間短得多時，出現(xiàn)了鋰原子（Li7）核自旋體系集居數(shù)的反轉(zhuǎn)，發(fā)生了負(fù)吸收現(xiàn)象，意外地觀察到頻率為50 kHz的受激輻射。這是受激輻射首次直接被實驗所證實，也直接給出了受激輻射發(fā)生的前提是要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。為了解釋這種現(xiàn)象，珀塞爾和龐德首先提出“負(fù)溫度”（negative temperature）概念，并把粒子數(shù)反轉(zhuǎn)稱為“負(fù)溫度”狀態(tài)。[4]負(fù)溫度不是表示比絕對零度還低的溫度，而是描述從零到正無窮的開氏溫標(biāo)所不能描述的狀態(tài)。
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