《红宝石中的受激光辐射》
把红宝石泵得够猛,原子便齐声发光——第一束激光。
1960 年 5 月,一圈闪光灯点亮了指尖大小的一块红宝石,一束纤细、纯红的光掠过实验台——光,从此多了一种。
这个想法
灯泡或太阳的光是一团杂烩:许多颜色混在一起,朝四面八方泼洒,波此起彼伏、彼此不齐。激光恰好相反——只有一种颜色、一个方向,每一道波都齐步前进。物理学家把最后这种性质叫作「相干」。
成就它的妙招,叫作受激辐射。一个攒着多余能量的原子,被一束恰好颜色的光波拂过时,会放出一颗与触发它的那颗一模一样的光子——同色、同向、同步。一颗变两颗,两颗变四颗,一场「一模一样的光」的雪崩,就此堆起。梅曼的红宝石,正是第一台造出这场雪崩的机器。
事情的经过
理论先行。早在 1917 年,爱因斯坦就预言了受激辐射;1958 年,阿瑟·肖洛与查尔斯·汤斯算出了如何造一台「光学微波激射器」。一场悄无声息的竞赛随之展开。加州休斯研究实验室的西奥多·梅曼,押注了一种被旁人看轻的材料——一根人造红宝石的小棒,裹在一支螺旋摄影闪光灯里。1960 年 5 月 16 日,它激射了。他的报告太过简短,以致一家顶尖的物理期刊已先退了稿;于是它改以半页短文,登在了《自然》上。
它为何重要
激光是一道纯净、可控之光的「龙头」。正因光束只有一种颜色、一个方向,你才能把它聚成一个针尖,烫得足以切钢;才能让它在比头发还细的玻璃纤维里跑上千里;也才能拿它的波当尺,量出小到不足一个波长的距离。起初几乎没人知道它有什么用——它被打趣为「一个在找问题的解答」。可不出一代人,问题便蜂拥而至。
一个类比
想想推一个孩子荡秋千。在随便某个时刻一推,几乎没用,甚至会跟荡的方向较劲。可一旦你正好掐着秋千的节拍去推——一下,又一下,再一下——小小的力,也能把弧荡得很高。受激辐射,就是光在「踩着节拍」推原子:每颗光子都恰好同步地撩拨一个激发态原子,让它再放出一颗,于是波自我增强,光束随之壮大。
它在何处
激光直接从量子物理里长出来——普朗克(planck-1900)与玻尔(bohr-1913)那一级级量子化的能阶,以及爱因斯坦 1917 年关于受激辐射的洞见。它是早几年问世的微波激射器在光学上的表亲。而它转过身来,又服务于其余的科学:那些把 LIGO 镜面稳住、聆听引力波(ligo-2016)的极稳定激光,正是梅曼那束红光的嫡传子孙。
Schawlow and Townes have proposed a technique for the generation of very monochromatic radiation in the infra-red optical region of the spectrum using an alkali vapour as the active medium.
an optical pumping technique has been successfully applied to a fluorescent solid resulting in the attainment of negative temperatures and stimulated optical emission at a wave-length of 6943 Å.; the active material used was ruby (chromium in corundum).