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激光之父：1964年诺贝尔物理学奖得主汤斯博士

范文

[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—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

3激光的发明专利权之争

专利（patent）作为一个法律上的概念，源自英文“letters patent”，意指由英国国王亲自签署的带有御玺印鉴的独占权利权证书。由于这种证书的内容是国王授予某人对某项技术享有的独占权，同时这种证书没有封口，任何人都可以打开观看，即证书中的内容是公开的，故“垄断”和“公开”是专利制度的两个最基本特征。现主要分为发明专利、实用新型专利和工业设计专利3种类型。

1474年威尼斯共和国首先建立了近代意义上的专利法规，规定有新发明的发明人需报知共和国政府，由政府认可其发明权，以防他人窃用。

1790年4月10日美国首部专利法——《促进实用技术进步法案》（An Act to promote the Progress of Useful Arts）由乔治·华盛顿总统签署颁布，同年7月31日总统签署颁发了美国历史上的首个专利，它授予发明家塞缪尔·霍普金斯（Samuel Hopkins，1743.12.09—1818），他改进了碳酸钾和钾肥的制造工艺。1802年美国专利局（Patent Office，时隶属于国务院）成立，1975年更名为美国专利和商标局USPTO/PTO（The United States Patent and Trademark Office，现隶属于商务部，其总部设在弗吉尼亚州亚历山大市）。现行美国专利法1952年7月19日由杜鲁门总统签署颁布，翌年元旦起生效；1999年11月29日克林顿总统签署颁布《美国发明人保护法》AIPA（American Inventors Protection Act），其中多项重要条款直接被列入现行专利法；2011年9月16日奥巴马总统签署对专利法进行全面修订的《美国发明法案》AIA（Leahy-Smith America Invents Act，2013年3月16日起全面生效）。美国专利法对专利保护期的规定：①发明专利：1995年6月8日（不含）以前申请并授权的专利，自授权日起17年届满，此后则为自申请日起20年届满。②设计专利：自授权日起14年届满。专利保护期最多可申请延长5年。

1980年经国务院批准成立中国专利局，1998年更名为国家知识产权局SIPO（Chinas State Intellectual Property Office）。《中华人民共和国专利法》于1985年4月1日开始实施，最新修订版2008年12月27日由胡锦涛主席签署发布，2009年10月1日起生效实施。中国专利法对专利保护期的规定：自申请日起，发明专利权期为20年，实用新型专利权和外观设计专利权期均为10年。自1994年起，中国加入世界知识产权组织WIPO/法语缩写OMPI（World Intellectual Property Organization，1970年4月26日正式成立，1974年12月17日起成为联合国专门机构，其总部设在日内瓦）的《专利合作条约》PCT（Patent Cooperation Treaty，1970年6月19日签订，1978年1月24日起生效，美国是其缔约创始国）。

1950年代初，尽管微波激射器才刚刚兴起，但已有人开始考虑在比微波波长更短的范围内实现量子放大。1951年6月18日法布里坎特等人曾向前苏联邮电部提交过一份利用汞蒸气放电得到光放大的发明专利申请书（专利编号：123209，发明者证书编号：576749/26，1959年获得批准），其主要内容是“电磁波辐射（紫外光、可见光、红外光和无线电）放大的一种方法，其特点是被放大的辐射通过一种介质，用其他方法和辅助辐射使相当于激发态的高能级上的原子、其他粒子或系统的浓度增大而超过平衡态的浓度。”

1943年古尔德获耶鲁大学物理学（光学和光谱学方向）理学硕士学位，1949年他来到哥伦比亚大学攻读光学和微波波谱学方面的博士学位（1949—1954年在纽约市立大学兼职助教），其博导是物理系主任库什（1955PH22）而不是汤斯，读博期间他在库什手下做铊原子束共振实验（目的是精确测定铊的电子磁矩并和钾的电子磁矩做比较），起初采用热学或放电方法激发铊原子，多年来都未见成效，1955年拉比教授从国外带回了法国光泵浦（当时只限于无线电和微波波段）新进展的消息，古尔德对此产生浓厚兴趣。1957年古尔德产生了用光泵浦法实现粒子数反转的想法并首先完成可见光波段的光泵浦实验，他设计出用法布里—珀罗干涉仪镜片做成的谐振腔，此设想与不久后肖洛和汤斯的构思不谋而合，可以说是异曲同工。古尔德将自己的设想详尽地记录在笔记本上，其设计手稿至少系统地描述了有关光放大器（即后来的激光器）5个方面的内容：①激光原理：激光是物质分子受与其频率相同的能量激发而振荡、放大并聚合成短波的光辐射。这部分内容后反映在肖洛和汤斯的专利US2929922中。②激光器原理及其内部结构：制作一个长圆筒形光谐振腔，两端设置反射镜，其中一端设有泄光孔（涉及布鲁斯特角窗，其目的在于降低反射损耗）。往谐振腔内放入工作物质，通过光泵浦电子，激发工作物质的原子振荡、放大并聚合，然后物质光粒子从泄光孔射出窄幅强烈光束。谐振腔部分后演化为专利US4746201。③最早提出Q开关技术，可使激光超强脉冲聚合，以产生巨脉冲高能激光。即赫尔沃斯的专利US3928815（因古尔德坚持自己的优先权而导致该专利延迟很长时间才被批准）。④首倡采用气态物质作为激光介质。这部分内容后反映在专利US4704583中（此时相关专利US3149290的保护期已届满）。⑤设计出光学（气态）加注放大器（又称光学加注振荡器，即光泵浦气体放大器），即专利US4053845（此时相关专利US2929922的保护期刚好已届满）。上述内容构成了激光器的雏形。同年10月汤斯请古尔德到其办公室询问了有关铊原子灯的新进展，从而他意识到汤斯正在进行类似工作而引起警觉。为此11月13日古尔德来到纽约市布朗克斯区住所附近的一家糖果杂货店，请店主作为公证人将其设计手稿（共9页，汤斯及另一位同行此前在此手稿上作为见证人已签字）公证签封（手续费5美元）。库什不同意以激光研究代替原来“原子束共振”的博士论文，1958年3月古尔德愤而离开哥伦比亚大学并放弃攻读博士学位，来到私人TRG公司[古尔德于1967年离开，1967—1973年任布鲁克林理工学院（现纽约大学理工学院）教授，1973—1985年任职于光通信（Optelecom）公司]工作继续从事激光研究。[1～3]1959年4月6日他提出的一系列激光专利申请（包括56项专利要求，其中要点有：①提出许多活性材料及其激励方法，详细探讨了钠蒸气激光器，类似于肖洛和汤斯的钾蒸气激光器，但古尔德采用的是以电子放电为基础的新激励方法；②详细探讨了原子碰撞激励法并由此提出实现氦氖激光器的可能性；③设计出独特的光谐振腔；④采用克尔盒作调制器，首倡Q开关技术；⑤详细描述了谐振和非谐振的光放大器结构；⑥设想出激光器将来的多种用途，这部分内容后反映在专利US4161436中。此申请书原文长约140页，1968年才允许公布于世[4]）被拒，1962年TRG公司研发出光泵浦氦铯激光器[5]，因性能差而没有什么实用价值。

激光的专利权之争历时近30年，漫长而曲折，是专利权争夺战中最著名的经典案例。古尔德主要因以下原因而导致其激光专利申请和诉讼屡屡受阻：①未正式发表其激光理论。②对专利法缺乏了解：他咨询的青年律师很不专业，亦无经验，误导他应将其设想付诸实践才能申请专利，这就为后来的激光专利权之争埋下了导火索。③政治和保密方面的原因：1944年3月至1945年1月他为哈曼顿计划工作，因曾加入过美国共产党（1919年9月1日成立，1944年5月解散，另立非党组织共产主义政治协会，1945年重建）而被曼哈顿计划解雇。1959年初TRG公司利用古尔德1958年12月修订后的第二份设计手稿申请到国防部高级研究计划局DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）资助99.9万美元（申请资金只有30万美元）的“激光用于雷达、测距和通信系统”课题，因国防部对此课题研究人员要进行保密政审，古尔德因曾经的美国共产党党员身份而被禁止直接参与该课题的研究，只能当挂名顾问。④受早期激光专利拥有者、激光制造商和应用商大机构（如贝尔实验室、休斯研究实验室、西屋电气公司和通用汽车公司等）的阻击。诉讼初期，古尔德（1962首次为国家专利局的“专利抵触程序”出庭作证）阵营处处被动，屡屡败北，1968年才获得其第1个美国激光专利[6]，但影响很小。1970年古尔德以1000美元现金外加未来专利收益的10%从对激光业务兴趣不大的控制数据公司手中买回自己的专利权（主要是第二份设计手稿）。因资金窘迫，1974年古尔德与纽约里法克技术发展公司（Refac Technology Development Corp.，即现在所谓的风险投资公司）签署协议（专利费收益对半分配），让里法克全权代理其激光专利申请和诉讼事宜，专利局把他的激光专利申请分拆为6项（表1中的4项和另外2种类型的激光应用）。经不懈努力，1977年古尔德终于获得其第1个有影响的美国激光专利（即US4053845），1979年古尔德及其出资者共同组建Patlex公司（古尔德只占20%的股份），主要进行有关激光发明专利权的诉讼和洽谈专利费的收取事宜。古尔德团队步步为营，以通用光子公司和控制激光公司为突破口，最终在激光发明专利权的争夺战中赢得部分胜利，他总计共获得48项激光发明专利（其中有影响的美国专利4项）。

主要因激光方面的发明而入选美国国家发明家名人堂（NIHF）的美国发明专利见表1。

注1：美国国家发明家名人堂NIHF（National Inventors Hall of Fame）：1973年由时任专利法协会全国理事会（National Council of Patent Law Associations，现称National Council of Intellectual Property Law Associations）主席的马修斯先生（H.Hume Mathews）倡议创办，次年由美国专利局（现USPTO）接手，其总部设在俄亥俄州北坎顿市（North Canton），堂址原设在俄亥俄州阿克伦市（Akron），2008年起迁至USPTO总部所在地——弗吉尼亚州亚历山大市（Alexandria city）。入选者不限国籍，已故发明家可入选，但入选者名下必须拥有美国专利（极个别很早就逝世者除外）。1973年首届唯一入选者是著名发明家爱迪生[US0223898，1880.01.27/1879.11.04，电灯（electric lamp）]，瑞典工业化学家、国际实业家和诺贝尔奖创始人阿尔弗雷德·诺贝尔[US0078317，1868.05.26，黄色安全炸药（dynamite，即达纳炸药）]于1998年入选。出生最早者是2006年入选的美国钟表匠、工程师和企业家约翰·菲奇（John Fitch，1743.01.21—1798.07.02），他是美国蒸汽轮船（1787.08.22）的发明者。最早入选的女性是1991年入选的美国生物化学家和药理学家伊莱昂（1988PM32，US2884667，1959.05.05/1955.06.20，抗白血病药物2-amino-6-mercaptopurine）。截至2015年年底，获此荣誉者共计516人，其中女性28人。

注2：1958年肖洛和汤斯决定将自己的理论分析写成论文（即《红外区和光激射器》）并申请发明专利，贝尔实验室专利办公室负责人竟然认为光对通信不会有什么重要性，也不涉及贝尔实验室的利益，故起初拒绝，后在肖洛和汤斯的坚持下才同意提出申请，该专利的核心内容是采用光谐振腔来实现光放大和光泵浦（当时的一项新兴技术）。

注3：该专利的优先权日是1961年4月13日。优先权日是指专利权人首次提出专利申请的日期，包括他/她在其他《专利合作条约》缔约国对同一专利提出的申请。

注4：该专利申请公开了光放大器装置及其应用，一种光放大器采用光泵浦实现粒子数反转，另一种光放大器采用与其他粒子碰撞实现粒子数反转。该产品覆盖各种激光的应用，包括制造高温、蒸发材料、机械加工、测距、通信系统、电视、激光影印机、激光核聚变和其他光化学应用，甚至已考虑到用于产生X射线。

注5：布鲁斯特角（又称偏振角）是指自然光经电介质界面反射后，反射光为线偏振光所应满足的条件。1815年首先由苏格兰物理学家、数学家、天文学家和历史学家布鲁斯特（Sir David Brewster，KH，PRSE，FRS，FSA，FSSA，MICE，1781.12.11—1868.02.10）发现。

注6：为纪念美国国际商业机器公司IBM（International Business Machines，成立于1911年6月16日）创建100周年，美国著名IT网站eWeek于2011年评选出IBM公司百年来十大高科技创新发明（均获美国发明专利），该专利（US4784135）名列第五（按时间先后排序），它是日后激光眼科手术的基础。1980年美国籍印度裔化学家和物理学家斯瑞瓦萨利用紫外准分子激光发明光解剥离APD（ablative photo-decomposition）技术，从而成为准分子激光原位角膜磨镶术LASIK（Laser-assisted in situ keratomileusis，俗称激光眼科手术或激光视力矫正）的先驱。LASIK是一种通过准分子激光改变眼角膜的弧度，以校正近视和散光的手术，这种手术方法于1995年获得美国食品药品监督管理局（FDA）的批准。目前LASIK采用的主要是ArF气体准分子激光（193 nm）。美国LaserSight公司旅美台湾物理学家林瑞腾（Jui-Teng Lin）在其美国专利中首次提出以213 nm固体激光替代有毒气体ArF准分子激光：US5520679，采用非接触扫描激光的眼科手术方法（Ophthalmic surgery method using non-contact scanning laser），申请日：1994.03.25，公开日：1996.05.28。

4激光之父汤斯的主要学术成就与贡献

汤斯教授是Maser的主要发明者和Laser的先驱者之一，高分辨率微波波谱学（可用于详细考察分子和原子核的结构）的创始人和量子电子学的奠基者之一，将Maser/Laser技术应用于天文探测的先驱，因对星际分子方面的开创性研究而成为分子天文学（molecular astronomy，按照国内现在的规范称呼，这门学科被称为分子天体物理学）的开拓者。文中前后已述及的内容在此不赘述。汤斯的研究领域还涉及原子钟、相对论、非线性光学效应和射电天文学（射电天体物理学）等，在应用干涉调频技术进行红外波段的高角度分辨率（high angular resolution）天文学研究方面作出较大贡献。[7～8]晚年醉心于红外天文学（红外天体物理学）的研究以及探索科学与宗教的融合。汤斯的科研原创精神和领导组织能力得到世界科技界的广泛认可和赞赏。

有据可查的汤斯最早发表的学术论文是1938年的《无油脂真空管》。[9]1940年代末，核四极矩NQM（nuclear quadrupole moment）研究是当时的一个热门课题，汤斯报道了大量的核四极矩耦合常数并以分子光谱理论予以解释。1948年初他和贝尔实验室同事巴丁合作发表分子中核四极矩效应计算方面的论文[10]，1949年他和哥伦比亚大学化学系同事戴利（Benjamin P.Dailey）首创NQR方面的汤斯—戴利理论（Townes-Dailey theory），给出了分子超精细效应的解释。[11]同年美国物理学家沃尔特·奈特（Walter David Knight，1919.10.14—2000.06.28）发现了金属磁共振中的奈特位移（Knight shift）机制[12]，汤斯指出该位移可能是来自导电电子的顺磁影响，根据其理论计算出来的顺磁效应果然与实验结果相吻合。[13]

雷达技术涉及微波的发射和接收，其核心部件是微波振荡器。1940年代雷达技术的发展促进了微波技术应用于微波与分子相互作用的研究。“二战”期间汤斯在贝尔实验室从事雷达方面的设计研究，战后不久他就决定从工程界（雷达系统工程师）转向自己早已心仪的实验和理论物理学研究，对利用微波波谱学和分子共振法来探测气体分子能谱深感兴趣。由拉比教授推荐到知名的哥伦比亚大学物理系执教，期间应军方邀请开始致力于提高雷达工作频率的研究，因此他很快就成为微波波谱学方面的权威专家。

1952年汤斯小组发表《毫米波磁控管谐波》一文[14]，这是非线性光学方面的早期论文。首台Maser实验成功前3个月，拉比和库什教授曾试图劝阻汤斯的进一步研究，他俩说这个方案行不通，不必在这方面浪费时间和金钱，汤斯不为所动且倍加努力地工作，坚持自己的研究方向而最终取得巨大成功。1959年庞德及其博士生瑞贝卡（Glen Anderson Rebka，Jr.，1931—）利用刚发现不久的穆斯堡尔效应[15]首次在地面上定量地验证了广义相对论所预言的引力红移。[16]1958年（首次完成近代版的迈克耳孙—莫雷实验）和1964年汤斯小组利用Maser的相干性，2次以10-7的相对误差绝对值（1973年时已优于10-10，2009年时已优于10-17）验证了迈克耳孙（1907PH）—莫雷实验（Michelson-Morley experiment，1887年于俄亥俄州克利夫兰，企图验证以太存在的著名光学实验，由此发现了极为重要的狭义相对论的基本原理——光速不变原理）。[17～18]这两个方面的实验从不同角度验证了爱因斯坦的相对论。

美国通信工程师和科幻小说家皮尔斯（John Robinson Pierce，1910.03.37—2002.04.02）从1954年起就开始研究卫星通信系统，1955年他在美国火箭协会主办的《喷气推进》杂志发表论文《轨道无线电中继系统》，论证卫星通信所需要的功率，故被誉为“卫星通信之父”，他还是“晶体管”（transistor）的命名者。1960年8月12日美国“回声I号”（Echo I）卫星发射升空，这是人类发射的首颗试验型无源通信卫星（既无电源，又无任何电子设备和仪器，实际上是一个直径30 m的气球式卫星）。时任贝尔实验室通信研究室主任的皮尔斯是这颗通信卫星的主要设计者之一，他利用固体Maser放大了“回声I号”卫星发射到金星后又反射回来的几乎消失殆尽的微弱信号，这是宇宙通信的开端。

星际物质ISM（interstellar matter）是指银河系和其他星系内恒星之间的物质，包括星际气体、星际尘埃和各种各样的星际云（interstellar cloud，分子云是其中的一种），有时还包括星际磁场和宇宙射线。星际分子（interstellar molecule）是指自然存在于星际空间气体尘埃云（即星际云）内的无机分子或有机分子。星际分子谱线通常产生于转动能级之间的跃迁，波长处于毫米波或亚毫米波段，主要通过这些射电波段特定波长的发射谱线和吸收谱线来探测。利用光谱学方法，星际分子甲川基（CH，1937年）、氰基（CN，1939年）和甲川正离子（CH+，1939年）首先被发现，但限于当时的观测条件，这些发现并未受到重视。汤斯在微波波谱学方面的造诣很深，1950年代中后期他将目光转向天文学方面的研究，提出利用微波波谱检测法可以探测到星际介质中的分子，预言星际空间存在着大量稳定的星际分子，并计算出这些分子跃迁的射电频率。1954年他就提出可以寻找羟基自由基（OH）的微波谱线，哥伦比亚大学汤斯小组在地面实验室测得OH的2条主吸收谱线是1665.46 MHz和1667.34 MHz。1957年汤斯根据理论计算列出17种可能观测到的星际分子及其频率并提出探测它们的方法[19]，不久后大多被陆续证实。1963年10月15日MIT博士生韦雷伯（Sander Weinreb，1936.12.09—）和美国射电天体物理学家巴雷特（Alan Hildreth Barrett，1927.06.07—1991.07.03）等人利用射电望远镜果然在来自仙后座A射电源的辐射里找到了羟基的2条主吸收谱线[20]，这是首次在射电波段探测到星际分子的微波波谱，标志着分子天体物理学（微波波谱学则是孕育其诞生的“母科学”之一）的诞生，揭开了陆续发现星际分子的序幕。1968年和1969年华裔科学家张炽堂（Albert Chi-Tong Cheung，后供职于香港城市大学）和汤斯等人在银河系中心首先分别探测到稳定的氨（NH3）和水（H2O）星际分子[21～22]，1969年首个星际有机分子甲醛（H2CO）被发现，因构成生命物质基础的蛋白质（其主要成分是氨基酸分子）就是一种有机分子，故其意义十分重大。[23]迄今科学家们已发现确认的星际分子共有150余种（不包括同位素）。星际分子的发现有助于帮助人类了解星云（nebula）和恒星的演变过程，是当今天文学分支——星际化学的基础，星际分子的研究是天体演化、生命起源和物质结构三大基础理论研究的一个重要交叉点。

1985年汤斯小组首先观测并阐明了银河系中心的质量分布[24]，其实质是发现了一个黑洞（black hole）。银河系中心人马座A、天鹅座X-1和超新星SN 1979C等是著名的黑洞候选者。汤斯还是1990年4月24日发射升空的哈勃空间望远镜HST（Hubble Space Telescope）设计制造的关键人物之一。

汤斯教授作为发明家共获得13项美国发明专利，见表2。

注1：美国电气工程师达林顿（Sidney Darlington，1906.07.18—1997.10.31）以1953年发明达林顿晶体管（美国专利US2663806）而闻名，1945年获总统自由勋章；伍德里奇（Dean Everett Wooldridge，1913.05.30—2006.09.20）是美国航天航空业界的杰出工程师。

注2：美国女物理学家加迈尔（Elsa M.Garmire，1939.11.09—）于1993年出任美国光学学会会长；斯托依切夫（Boris Peter Stoicheff，1924.06.01马其顿比托拉—2010.04.15多伦多）是加拿大物理学家。

汤斯教授作为知名教育家，他指导的著名博士生主要有：①美国籍伊朗裔物理学家贾范：赴美前他完全不懂英语，在已移居纽约的姐姐帮助下，1948年来到美国，奋发自学，1949年被特许入学（当时美国绝大多数高等院校需要拥有本科及以上毕业文凭才能攻读博士学位，但哥伦比亚大学并无此规定，只要通过其严格的入学考试即可），1954年获哥伦比亚大学物理学PhD（像他这样既无学士又无硕士学位者，直接就获得世界一流大学的博士学位，比较罕见，李政道的经历和他类似），1960年发明世界上首台可连续输出激光束的氦氖激光器，1964年晋升为MIT物理学教授。②美国物理学家詹姆斯·戈登：1955年获哥伦比亚大学物理学PhD，以Maser的研究作为博士学位论文，Maser的主要发明者之一。③美国籍德国裔射电天体物理学家彭齐亚斯（1978PH32）：1962年（前一年写完论文）获哥伦比亚大学物理学PhD[25]，其博士论文涉及为射电天文实验室研制一种Maser，以观测星际中最丰富的中性氢原子的一条波长为21 cm的谱线。1964年彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊（1978PH33）利用Maser作为放大器在7.35 cm的波长上偶然观察到宇宙空间的各向同性辐射，即约3 K宇宙微波背景CMB（cosmic microwave background，旧称宇宙微波背景辐射CMBR=CMB radiation，如今的准确值是2.72548±0.00057 K）[26]，从而证实了现代宇宙学关于宇宙起源的大爆炸理论（Big Bang theory）[27]，大爆炸宇宙模型现称标准宇宙模型。美国天体物理学家和宇宙学家斯穆特（2006PH22）将CMB说成是“上帝的手迹”。④美籍华裔量子物理学家赵雷蒙（Raymond Y.Chiao，1940.10.09香港—）：1947年移居美国，1965年获MIT物理学PhD，其博士论文是关于受激布里渊散射方面的研究，1993年和拉姆齐分享爱因斯坦激光科学奖（Einstein Prize for Laser Science）[28]，该奖由原光学和量子电子学会（Society for Optical and Quantum Electronics）创设并得到柯达公司赞助，1988—1996年在激光与应用国际会议（Lasers88～Lasers96）上颁发，每年颁奖一次（1994年未颁奖），每届获奖者2人（1989年只有1人），共计15人（文献[29]中的13人有误）获奖[30]，其中诺物奖得主7人：阿罗什（1988年）、约翰·霍尔和拉姆（1992年）、拉姆齐（1993年）、亨施和卡尔·维曼（1995年）、维因兰德（1996年）。⑤美国物理学家罗伯特·博伊德（Robert William Boyd，1948.03.08—）：1977年获UCB物理学PhD，其博士论文是关于非线性光学技术在天文学红外探测方面的应用。

汤斯一生共发表过400余篇学术论文，其主要著作有权威专著（教科书）《微波波谱学》（与肖洛合著，Microwave Spectroscopy，1955年，纽约市McGraw-Hill）、《维纳斯：探测的战略》（Venus：Strategy for Exploration，1970年，华盛顿美国国家科学院）以及2本回忆录《创造波浪》[31]（Making Waves，1995年，纽约州Woodbury：美国物理联合会出版社）和《激光如何偶然发现：一名科学家的探险历程》[32]（How the Laser Happened：Adventures of a Scientist，1999.04.08，纽约市：牛津大学出版社）等。

5激光技术与诺贝尔自然科学奖

诺贝尔物理学奖、化学奖、生理学或医学奖、文学奖与和平奖始颁于1901年，由瑞典国家银行出资增设的纪念阿尔弗雷德·诺贝尔经济学奖则始颁于1969年。截至2015年年底，共有870人874人次赢得诺奖（其中诺物奖得主是200人201人次），另有23个组织机构在24个年度内26次荣获诺和奖。[33～34]诺贝尔自然科学奖中与激光技术密切相关（LED并非激光器，但它是伴随着对LD的研究而发明的）的有关情况见表3。激光技术、X射线和磁共振技术是获得诺贝尔自然科学奖最多的几个科学专题。[35～37]

注1：符号“●”表示该诺奖得主获得 1/2单项诺奖奖金，其他2人各获1/4奖金。

注2：1958—1964年汤斯连续7年共获得73人次诺物奖提名（3/4/23/14/18/29），汤斯作为提名人唯一的1次诺奖提名发生在1956年度（编号：60-0）[39～40]，当时他提名巴丁、布拉顿和肖克利为诺物奖，当年恰好是这3人获奖。1964年当年每项诺奖奖金总额为27.30万瑞典克朗（比上一年度增加0.8万SEK，当时约合5.46万美元，其价值只相当于1901年的33.01%）。汤斯是诺物奖历史上的第81位得主，诺奖历史上的第346位得主。12月10日汤斯出席了在斯德哥尔摩音乐厅举办的传统颁奖典礼，物理学奖由隆德大学物理学家（光谱学家）和天文学家、时任物理学诺贝尔委员会委员的埃德伦（Bengt Edlén，1906.11.02—1993.02.10）教授致颁奖辞（Award Ceremony Speech）。在当晚传统的诺贝尔晚宴上，汤斯教授发表了晚宴致辞（Banquet Speech）。在诺奖官网上，汤斯、巴索夫、普罗霍罗夫、布洛姆伯根和肖洛所属研究领域（大类）都被列为光学物理学（optical physics）和量子电动力学QED（quantum electrodynamics）。1957年诺物奖得主杨振宁和李政道是1962年以前现健在诺奖得主中硕果仅存的两位。[41～42]

注3：1946—1947年布洛姆伯根师从哈佛大学珀塞尔教授开始从事核磁共振方面的研究，他对弛豫过程的研究很出色，是首位精确测量弛豫时间的科学家。[43]布洛姆伯根的博导是珀塞尔教授，1948年他将论文《核磁弛豫》（Nuclear Magnetic Relaxation）提交给荷兰莱顿大学而获该大学物理学PhD。1962年布洛姆伯根等人首先提出了实现高效非线性频率变换的准相位匹配QPM（quasi-phase matching）理论[44]，1965年布洛姆伯根出版其经典专著《非线性光学》（Nonlinear Optics，纽约版），他因对非线性光学理论和非线性光学频率变换的开创性工作而被公认为非线性光学奠基人。非线性光学是光学的一门分支学科，非线性光学效应主要有二阶非线性光学效应，如二次谐波产生SHG（second harmonic generation，即倍频）、和频SFG（sum frequency generation）、差频DFG（difference frequency generation）、光学参量产生器和放大器OPG/OPA（optical parametric generator/amplifier）以及光学参量振荡器OPO（optical parametric oscillator，1965年）等；三阶非线性光学效应，如三次谐波产生THG（third harmonic generation）和双光子吸收TPA（two-photon absorption）等；非线性光散射效应，如受激拉曼散射SRS（stimulated Raman scattering，1928年印度物理学家拉曼首先发现拉曼散射，又称拉曼效应）、受激布里渊散射SBS（stimulated Brillouin scattering，1922年法国物理学家莱昂·布里渊首先发现布里渊散射）和受激瑞利散射（stimulated Rayleigh scattering，1871年英国物理学家瑞利首先发现瑞利散射）等[45]，此外还有高次谐波产生HHG（high harmonic generation）、光折变效应、自聚焦（self-focusing，M.J.Hercher，1964年）、自发参量荧光（spontaneous parametric fluorescence，S.A.Akhmanov，1967年）、光学相位共轭（optical phase conjugation，Boris Ya.Zeldovich，1972年）和光学双稳态（optical bistability，H.M.Gibbs，1976年）等。非线性光学的发展离不开非线性材料的开发和非线性光学技术的研发。中国非线性晶体的研发具有国际一流水平，其中三硼酸锂LBO（LiB3O5）和β相偏硼酸钡BBO（β-BaB2O4）晶体享誉世界，用于深紫外倍频的氟硼铍酸钾KBBF（KBe2BO3F2）晶体更是领先于国际非线性光学晶体同行。

注4：激光光谱学（laser spectroscopy）是指以激光为光源的一个光谱学分支，其研究方法主要有激光吸收光谱、激光发射光谱、激光荧光光谱、激光拉曼光谱、激光光声光谱、激光磁共振光谱、激光斯塔克光谱和非线性激光光谱等。1970年代肖洛和亨施在斯坦福大学物理系领导一个激光光谱学研究小组，对非线性光学和高分辨率激光光谱学的研究作出重大贡献，他们所创造的激光光谱学方法主要有：饱和吸收光谱（1971年）、内调制荧光光谱（1972年）、双光子光谱（1974年）、激光标识光谱（1976年）、偏振光谱（1976年）、两步偏振标识光谱（1979年）、光电流光谱（1979年）和偏振内调制激励光谱（1981年）等。

注5：国家标准和技术研究所NIST（National Institute of Standards and Technology）原名国家标准局NBS（National Bureau of Standards），1901年成立，1988年起更为现名，又称国家计量研究所NMI（National Metrological Institute），其总部设在马里兰州盖瑟斯堡市（City of Gaithersburg），是一个直属商务部的非监管机构。

注6：超快激光光谱学（ultrafast laser spectroscopy）有时又称为超高时间分辨率光谱学（ultrahigh time-resolution spectroscopy），它仍在迅速发展中。泵浦—探测技术（pump-probe technique）是超快激光光谱学中的典型技术，泽维尔首次应用飞秒泵浦—探测技术对化学键断裂过程进行实时观测获得成功。他使用超短激光脉冲技术和分子束技术研究超快化学反应，1990年首次研制出一种飞秒级分子“照相机”，它能以飞秒级时间尺度实时观察分子运动并目击分子的诞生[46]，开创了飞秒化学（femtochemistry）研究新领域，他还利用激光的相干特性控制了化学反应的产率，在化学（反应）动力学领域作出杰出贡献。[47]

注7：通常称给样品较大能量的电离法为硬电离，如电子轰击电离法EI（electron impact ionization）；给样品较小能量的电离法则称为软电离（如ESI和SLD），后者适用于易破裂或易电离的样品，它不会破坏化学键，易得到准分子离子峰，而前者一般只能得到碎片离子。芬恩（2002CH32）于1984—1989年发明了电喷雾电离法ESI，在此基础上后来又陆续发展出解吸电喷雾电离法DSEI（desorption ESI）和电喷雾萃取电离法EESI（extractive ESI）。田中耕一于1985—1988年发明了软激光解吸电离法SLD（soft laser desorption）[48]，2位德国科学家独立发明用烟酸（nicotinic acid）为介质的更为简单高效的LDI技术新方法——基质辅助激光解吸/电离法（MALDI）仅比田中耕一晚2个月发表。[49]田中耕一只是一名普通的企业研发工程师，在大学本科毕业后2年多就取得重大科技突破并申请日本专利[50]，获诺奖时他竟然是“五无”（无研究生学历、无海外留学经历、无高级技术职称、无行政管理职务、无SCI论文），其获奖经历富有传奇性，是科学界近来最具典型代表性的励志范例。目前蛋白质序列的质谱分析方法主要有以下2种：基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱法MALDI-TOFMS（matrix-assisted laser desorption/ionization-time of flight mass spectrometry）和电喷雾电离串联质谱法ESI-tandem MS（electrospray ionization-tandem mass spectrometry，又称ESI-MS-MS法），它们都属于新型高效的软电离生物质谱法。

注8：1963年格劳伯将量子理论引入光学讨论而创建了光的相干性量子理论[51～53]，成功地解释了天文观测中出现的光子聚集现象（即从热源发射的光子在穿越地球后是如何出现相干的），也解释了电灯这类热光源发射的漫射光（非相干光）与激光发射的聚集强光（相干光）之间的本质区别，还加深了人们对光的量子噪声的进一步认识，其先驱性工作奠定了现代量子光学（quantum optics）理论的基础。[54]现代量子光学是基于量子理论研究光的相干性和统计性，以及光和物质相互作用的量子性质的一个光学分支。

注9：依赖于1997年诺物奖得主所取得的激光冷却和俘获原子的开创性研究成果，实现单原子测量和操控才成为可能。2012年诺物奖得主的成就是突破了薛定谔猫的束缚，能够捕捉到单个微观粒子并加以测量和操控，阿罗什的主要贡献是利用微波腔非破坏地测量单个光子[55]，维因兰德则是利用离子阱（发明并发展离子阱技术的沃尔夫冈·保罗和德默尔特是1989年诺物奖得主）俘获并操控单个离子。1996年阿罗什小组首次实现腔场薛定谔猫态（即相干态的相干叠加态）[56]，次年首次实现原子纠缠态。[57]1989年维因兰德小组首次实现将单个离子冷却到其质心运动基态[58]，处在量子化状态的超冷离子呈现出明显的非经典性质，由此可以验证量子力学的基本理论并揭示微观世界的新现象；1995年利用冷却到零点能的单个铍离子（Be+）成功地演示了量子逻辑门；[59]1996年利用激光脉冲制备了几个离子体系的薛定谔猫态；[60]1998年实现了2个超冷离子的单重和三重贝尔纠缠态。[61]量子纠缠起源于由爱因斯坦等人开创的EPR悖论，约翰·贝尔（John Stewart Bell，FRS，1928.06.28—1990.10.01）是英国北爱尔兰物理学家，因在量子物理学隐变量理论和EPR悖论方面提出贝尔定理和贝尔不等式而闻名。潘建伟团队自2004年起一直保持着纠缠光子数的世界纪录，于2004/2007/2012年（正式发表论文年份）分别实现5/6/8光子纠缠，8光子纠缠至今仍是世界最高纪录。每增加1个纠缠光子，光学干涉系统就要复杂1倍，产生纠缠的难度则随光子数增加而呈指数上升。“中科大成功制备八光子纠缠态，刷新世界纪录”成为“隆力奇杯”2011年国内十大科技新闻（《科技日报》主办）之第十（按发生时间排序）。“多光子纠缠及干涉度量”（完成人：中国科学技术大学潘建伟、彭承志、陈宇翱、陆朝阳和陈增兵）项目荣获2015年度中国国家自然科学奖一等奖。

注10：1969年RCA实验室马鲁斯卡和蒂提恩（James J.Tietjen，时任RCA实验室主任）首次采用氢化物气相外延HVPE（hydride vapour phase epitaxy）法在蓝宝石衬底上成功制备出GaN单晶薄膜。[62]1973年松下电器公司东京研究所（即后来的松下技研）赤崎勇正式开始GaN类蓝色发光器件的基础性研究，其目标是实现p型半导体，以研制出高亮度的蓝色LED和蓝色半导体激光器。赤崎勇小组于1974年采用MBE法以及1978年采用MBE法和HVPE法并用制备GaN单晶薄膜，效果均不理想。1982年天野浩（1989年获名古屋大学工学博士学位，其博导是赤崎勇）加入赤崎勇研究小组[63]，1985年他们采用MOCVD法[1977年由罗克韦尔国际公司的美国电气工程师拉塞尔·杜普伊斯（Russell Dean Dupuis，1947.07.09—）和达普克斯（Paul Daniel Dapkus）共同发明[64]]以低温沉积缓冲层技术首次成功制造出表面均匀取向非常好的高品质GaN单晶薄膜[65]，开启了实用型蓝色LED的发展历程。1989年他们采用掺Mg工艺在GaN中实现了p型掺杂（后来中村修二采用更为简便的方法实现p型掺杂），解决了蓝色LED的p极材料的导电性问题，取得重大技术突破；[66]1991年首次实现了GaN p-n结[67]，为利用GaN研制蓝色LED奠定了坚实基础；1992年终于研制成功GaN p-n同质结紫外/蓝光LED，在蓝宝石衬底上错位生长，其光效达1.5%。[68]2015年3月天野浩教授在接受采访时表示，计划推动有关LED技术应用于医疗领域（如银屑病和白癜风等皮肤病）的研究。

注11：1994年中村修二以《InGaN高亮度蓝色LED的相关研究》获日本徳岛大学（University of Tokushima）电气工程学论文博士学位，2015年因专利US5290393[69]而被载入美国国家发明家名人堂。文献[70]重点介绍了UCSB美籍华裔校长（任期始于1994年）杨祖佑（Henry Tzu-Yow Yang，1940.11.29重庆—）多次远赴日本力聘中村修二教授之事，并说“2004年，中村修二成为诺贝尔奖得主”。实际上，直到2014年中村修二才成为诺奖得主。笔者认为：给LED领域颁发诺奖，竟然遗漏“LED之父”何伦亚克，显失公允，也不符合诺贝尔自然科学奖一贯注重原创性的颁奖原则和精神。若按原创性贡献论，笔者甚至认为何伦亚克应该获得1/2份诺奖奖金。

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