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06-10

[物理史] 梅曼(Theodore Maiman)建造了第一


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(译自APS News,2010年5月)

[物理史] 梅曼(Theodore Maiman)建造了第一

梅曼(Theodore Maiman)凝视着立方状的红宝石晶体沉思

21 世纪,雷射的使用无所不在,是一年几十亿美元的产业,随便举几个例子,电信、数位光碟播放机(DVD player)、结帐扫描机、切割及焊接器、眼睛手术、刺青移除、牙科和医学等都是雷射的市场。而雷射的发明是由一个孤独的物理学家梅曼(Theodore Maiman)所开始的,他全然不顾存疑同事们的困惑,于 1960 年建造了第一部可运作的雷射,此成就为他赢得了「光电产业之父」的称号。

1927 年,梅曼出生在美国洛杉矶,成长在丹佛,父亲是电机工程师,也是一位发明家,很希望儿子成为医生。可是,年轻的梅曼将他的才华用在数学上,加上他早期当收音机及家用器具修理员的工作经验,使他获得科罗拉多大学的工程物理学位。1955 年,他在史丹佛大学完成物理博士学位,他的指导教授兰姆(Willis E. Lamb)也在同年获得诺贝尔物理奖。梅曼很快地在休斯飞机公司获得工作,而他也在那裏加入建造第一部可运作雷射的竞争行列。

雷射的理论基础架构在当时已被提出多年。爱因斯坦于 1917 年的论文中提出受激发射的可能性,但直到 1940 和 1950 年代,物理学家才找到此观念的新用途。1953 年,汤斯(Charles Townes)将他所谓的迈射(maser)申请专利,这是经由受激辐射以增强微波的装置,但这技术只限用于电磁波谱的微波範围。汤斯认为应该可以开发新装置,获取更多的知识,以产生更短的波长,将迈射的观念扩展到可见光的範围。他认为最好的方法是,让分子经由受激辐射而产生所希望的频率。

汤斯和他的同事萧洛(Arthur Schawlow)(后来成了他的妹夫)合写了一篇论文〈红外线和光学迈射〉(Infrared and Optical Maser),刊登于 1958 年 12 月的《物理评论》(Physical Review)期刊,详细论述此观念,虽然当时他们尚未建造出可运作的原型。两年后,他们获得了此设计的专利。那篇论文激起了想让此理论设计成为事实的竞争科学家间研究的热潮,投入此领域的其他主要公司包括贝尔实验室(Bell Lab)、美国无线电公司(RCA)、林肯实验室(Lincoln Lab)、国际商业机器股份有限公司(IBM)、美国西屋家电(Westinghouse)和西门子公司(Siemens),其中有许多公司夸言已获得大额的联邦补助。

面对那些野心勃勃的劲敌,梅曼在汤斯和萧洛获得他们第一个「光学迈射」专利的那一年赢得了竞争,他在此问题上利用了他在物理和工程方面的训练。但很讽刺的是,他在休斯的主管一开始并不要他研究这个议题,他原先受聘的工作是加入政府的航空研究计画,但梅曼很坚持,因此主管只勉强给了他 5 万美元,做为 9 个月的研究经费,梅曼于是开始他的研究。

其他的科学家都不考虑使用红宝石做为雷射的媒介物,他们在实验中都聚焦在使用气体。梅曼找出他们计算中的错误,并发现人工红宝石(含杂质较少)的效果很好。由于他的助理阿萨瓦(Charles Asawa)的帮忙,梅曼也使用光脉冲来激发雷射媒介质红宝石的原子,以取代之前实验使用的投影灯泡。

1960 年 5 月 16 日,梅曼成功地从他简陋的设备製造出一短促同调的光,不是连续集中的光束,比许多现在的雷射效果都要弱很多,但它却是一个可运作的雷射。更重要的是,它很容易製造。他的遗孀凯撒琳最近说:「它看起来就像中学的科学计划,很简单,但其中使用了许多物理和想法。」

梅曼在《自然》(Nature)期刊发表他的发现。汤斯后来说梅曼的论文是此期刊在 100 多年来所刊登过「就字数而言,是精彩的论文中最重要的。」但起初,该成就的关联性并不清楚,梅曼曾说:「雷射是寻找问题的答案。」当时他确信此装置的潜力,但休斯公司对于开发它的用途却不太感兴趣。

梅曼受挫,因而离开休斯公司,于 1961 年自行成立柯拉得(Korad)公司,全力发展与製造雷射;1968 年,他离开柯拉得,成立另一家公司─梅曼联合公司(Maiman Associates)。最后,他不仅获得他所开发第一个雷射的专利,还取得相关的迈射、雷射显示器、光学扫描、和雷射调节器等的专利。

雷射专利权的问题颇具诉讼争议性,尤其固尔德(Gordon Gould)的个案。固尔德是 1950 年代末期,汤斯在哥伦比亚大学指导的一个研究生,他后来用他的研究笔记,上面记载构想的日期,详述他自己的雷射设计,并于 1957 年 11 月加以公证,以此提起诉讼,欲赢得专利权。固尔德兴讼十多年,1973 年,美国关税与专利申诉法庭判定先前判给萧洛和汤斯的专利权範围太大,对于可运作雷射的某些关键点并未提供足够的资料,固尔德最后获得了专利权。

其他种类的雷射在往后几年间陆续出笼,例如染料雷射、氦-氖雷射、半导体雷射、二氧化碳雷射、离子雷射、金属蒸气雷射、準分子雷射和自由电子雷射等,梅曼的一个简陋的装置实际改变了全世界。他获得了好几个荣誉学位,还被推荐进入美国国家发明家名人堂与美国国家科学院和工程院的会员,并于 1966 年获得美国物理学会的巴克利(Oliver E. Buckley)奖项。但有一个荣誉与他擦身而过,那就是诺贝尔奖:他被提名两次,均未得奖。

梅曼于 2007 年 5 月 5 日因全身细胞肥大增多症而病世。至于第一个可运作的雷射则保存于加拿大英属哥伦比亚温哥华市中心一家银行的保险箱,白色的箱子以气泡塑胶和保丽龙包着,上面有一标籤,标籤上部以大红色、字迹潦草的标记着「梅曼的雷射」。


原文刊载于物理双月刊2013年6月号35卷第3期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。

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