主题：纪念激光发明50年曁NB颁奖季节讨论NB奖 -- nua
家园 2.1.1黑马撞线的夏天 章节预报
第二部:黑马撞线的夏天
第一章: 走大运
第一节:快出来了
第二节:搬家了
第三节: 出来了
第二章:阴暗面
第一节:给锯了
第二节:失败的PR
第三节:山寨们
家园 2.1.3 黑马撞线的夏天--走大运--出来了 第二部:黑马撞线的夏天
第一章: 走大运
第三节: 出来了
1960年5月初,HUGHES公司正式迁入了MALIBU峡谷的新实验室.这个新的实验室即将目击他的主人在人类科技历史中的一个重要时刻,新的激光就要为他的开张剪彩.
搬到新的实验室后,MAIMAN很快就组装好了他费时几个月设计的激光器.这个人类的第一个激光其貌不扬,看上去最扎眼的就是在金属管里的一个大大的绕了几圈连着电线的照相用闪光灯(很象现在的节能灯泡),仔细看才注意到里面有一块粉红色的晶体.
家园 2.1.3 黑马撞线的夏天--走大运--出来了 第二部:黑马撞线的夏天
第一章: 走大运
第三节: 出来了
1960年5月初,HUGHES公司正式迁入了MALIBU峡谷的新实验室.这个新的实验室即将目击他的主人在人类科技历史中的一个重要时刻,新的激光就要为他的开张剪彩.
搬到新的实验室后,MAIMAN很快就组装好了他费时几个月设计的激光器.这个人类的第一个激光其貌不扬,看上去最扎眼的就是在金属管里的一个大大的绕了几圈连着电线的照相用闪光灯(很象现在的节能灯泡),仔细看才注意到里面有一块粉红色的晶体.
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第一章:走大运
第一节:快出来了
上回说到MAIMAN1959年9月从纽约回到LA就象吃了兴奋剂---他的直觉告诉他"要撞大运了---something big".
但是回到HUGHES的实验室---当时还没有搬家,就在洛山矶机场边的机库改的建筑里面,他很快意识到他的首要目标是要让他的顶头上司支持他的计划---一步登天做激光.可惜他的顶头上司LYONS是一个不太爱最新科技的管理人员,他绝对没有想让MAIMAN停下手头上MAISER的工作去做什么天方夜谭的LASER.MAIMAN编了一个非常合理的说法给LYONS---搞清楚R系列的荧光效率是造更好MASER的必要条件.LYONS于是同意MAIMAN的请求,开始让MAIMAN一鱼两吃地做荧光光谱实验,主攻仍然是光泵的MASER.
上司同意测R系列的荧光效率,MAIMAN于是就花了$1,500买了一台比较高级的光栅光谱仪.这时候已经是12月份了,用这光谱仪MAIMAN立刻测量了RUBY的R系列荧光,结果就象他3个月前在纽约的直觉一样---R系列的荧光效率接近100%,WIEDER的结果胡里胡涂地彻底错误了.他又做了几个实验,证明了不仅R系列的荧光效率高,而且做实验的脉冲闪光灯泡已经能够把RUBY里所有的Cr++离子从基态激发到4F2能级,然后几乎100%地转换到2E能级.
他的第一个试验是用脉冲闪光灯泡把Cr++离子从基态激发到4F2,同时观察基态在磁场磁距分开的两个能级造成的微波吸收(0.38cm-1,1.3GHz),结果发现在脉冲的高点,微波吸收被大大衰减了.而微波吸收衰减的恢复也和2E能级的荧光衰减同步.他的这就证明了闪关灯能把大多数Cr++离子从基态激发到4F2,同时很快堆积到2E能级,而从2E能级通过荧光降到基态的过程要几个毫秒--- 这就在几个毫秒里造成了能级分布翻转,而这时如果有来回往复的光反射,通过模式选择--激光就会立刻发生!!!
MAIMAN没有停在微波吸收被闪光脉冲大大衰减的试验,他又测量了连续光在闪光灯脉冲时在各个波长的的吸收随脉冲时间的变化,也都验证了同样结果.
而这时候激光已经是呼之欲出---只要把RUBY晶体棒两端抛光并保持平行,甚至不用反射膜激光就会发生!任何当时在激光赛马跑道上的人都会意识到这一决定性的时刻已经来到.
MAIMAN这几个实验的设计是如此地经典---充分体现了MAIMAN在做光谱实验方面的扎实的基本功和对物理过程的通澈理解.直到今天类似的PUMP-PROBE激光光谱实验技术仍然在被广泛使用.可以说MAIMAN不仅打破了激光应该连续工作的传统观念,而且揭示了脉冲激光的工作原理和很多具体应用.
家园 原来这LYONS也不是简单的管理MBA 今天刚收到TOWNES写的"HOW THE LASER HAPPENED"一书
原来这MAIMAN的顶头上司也不时是一个等闲之辈
--他也是一个工程师出身的技术官僚.在1940年代末就在国家标准局做了一个分子微波吸收的时间标准,在TOWNES做了MASER并通过王天眷的微波混频器表现出色的频率稳定性后,他立刻加入到用MASER做时间标准的仪器研究里来.可能他对时间标准的MASER更感兴趣---就象TOWNES,王天眷一样,他们对光谱这些纯科学更感兴趣导致他们对失去了直接接生LASER的机会.
象TOWNES说的
家园 2.1.2黑马撞线的夏天--走大运--搬家了 第二部:黑马撞线的夏天
第一章:走大运
第二节:搬家了
MAIMAN做了这几个实验后,LASER已经象一个怀胎9个多月的婴儿,到了动一动立刻就出来的地步.MAIMAN当然意识到了这撞大运事件即将来临,所以他快跑起来,一步接一步迅速向LASER终点线冲击.上一节里面说到的他做的几个实验其实就是从微波(MASER)向光(LASER)的一步接一步的接近.
然而这时候,MAIMAN遇到了巨大的挑战.首先,顶头上司LYONS又发难了,说---你做LASER是做梦,年轻人爱做梦可以但是还是要脚踏实地做好本行;最好别在LASER上花太多时间,试一下,就一下.这不,我们一月份就搬家,你主要任务就是搬家,搬家之后就要立刻推进你的MASER工作.搬家其间,你可以抽空搞一下LASER.
当时HUGHES的老板--HOWARD HUEGHES,买了在MALIBU 峡谷的新的实验室,59年底大楼建好了,搬家也快了. 所以MAIMAN59年12月到60年4月份是非常手忙脚乱的5个月 --- 一方面在催生他梦寐以求的LASER,一方面要应付LYONS的主要任务改进MASER,一方面又要拆卸仪器打包发运. 还好这搬家不算远就就30分钟的车程---MAIMAN有些试验是把仪器拆了,先搬到自己车库里做了几组数据等新的实验室装修打扫干净,水电都通了才又搬过去的.而正是由于这慌乱的搬家,LYONS就没有太关心MAIMAN的LASER副业有没有影响主业MASER.
MAIMAN在老实验室彻底撤出,搬家到新实验室的2~3个月里做了上面说的RUBY的R系列荧光试验. 这每一步都让他心跳加快,他在做试验的同时用最新的数据分析了要出LASER的每一个必要条件. 其中的一个重要条件就是他需要一个瞬间能在570NM波长(黄色光)产生大量能量来激发基态离子到F2能级的闪光灯. 为此他充分利用了搬家过程中,HUGHES公司雇佣的照相师,从他们手里实验了各种各样的闪光灯,分析了570NM波长的强度,然后他照着照相师手里的闪光灯型号定了好几个照相用闪光灯,拆了后再联上自己的土电源控制器就可以催生LASER这个BABY了---这对于从小修电器的MAIMAN来说当然是易如反掌. 同时他仍然觉得不够保险,还自己跑到车间找了一个内径1.5英寸(4CM)的铝管,用细砂纸打磨得象镜子一样,然后把闪光灯放了进去.估计这几个闪光灯加铝管的花费不到$300.
同时,他也让外边光学车间打磨了几块平行的RUBY晶体,然后镀了金属银膜--这个工艺在当时仍然是非常昂贵,根据楼主所知成熟的平行抛光的双面抛机器在中国的引进已经是90年代后的事情,美国在60年代还是要靠能工巧匠才能做出来. 而这抛光和镀膜估计花的钱比那个$1,200的分光光度计要贵很多,而且不能说是做MASER的.估计花了$2万多---合MAIMAN当时的2年工资了. MAIMAN的设计就是把这昂贵的RUBY晶体放到弯成一圈圈的闪光灯里面---只要一通电,一个脉冲,激光这个BABY就会冲出来了!!!
MAIMAN是一个非常严谨和自信的人,他用最新R系列的荧光数据做了精确的计算,确信无疑BABY就在1个月后出生--当他搬到MALIBU新实验室后的第一个月, 1960年5月的第二个到第三个星期.
严谨和自信的人就会象诸葛亮一样开始和东部的巨人们表演能掐会算的杂技了.他准备4月份先给当时的新的物理评论快报PHYSICAL REVIEW LETTER(PRL)发一篇文章,用自己的最新实验数据揭示WIEDER和SCHAWLOW的错误结论. 他估计这篇文章会在不久的将来6月份正式发表,然而他的LASER会在这之前一个月,也就是5月份出来,第二篇LASER出生证明的PRL文章也在同时发往东部PRL编辑部. 这样一来,估计6月份东部的巨人看到第一篇文章会立刻震惊其R系列荧光效率接近100%的结果和后果,并随后开始做补救,以为他们还能第一个做出LASER; 但是这些巨人们最晚也就会在7月份,在第一次震惊中和梦想补救的时候看到他MAIMAN的第二篇文章---意识到没有翻牌的机会了!
不过,他还是留了一手.在第一篇文章他始终没有大胆地说"我下个月就要试LASER了"---这是欲擒故纵,笑看东部巨人们有没有立刻反应,同时让他们觉得他们还有翻牌的机会---因为LASER还没有正式发光呢.
然后文章里MAIMAN又说脉冲光把Cr++离子从基态激发到4F2是"DEPLETION Cr++离子基态数量"(楼主的理解是非常深的减少基态Cr++离子,>>REDUCE),配发的试波器图也说明了这信号好大,但是他又给了一个大约3%的基态Cr++离子被激发的句子.这"仅3%"看似是附和SCHAWLOW 的基态不适合做能级翻转的结论,却与试波器图和"DEPLETION"不符合.真正的含义只有行家才会质疑,并会立刻去做实验了---MAINMAN可能已经估计到是谁会立刻去试验RUBY了.
MAIMAN1960年6月发表在PRL的第一篇有关RUBY红宝石LASER/MASER的文章 (PRL编辑部在1960年4月22日收到)
MAIMAN的这一计划可谓非常精确,后来也证明了他的计划精确到了一个星期.
就这样,他的第一篇PRL文章在4月份第3个星期三发了出去.
家园 Maiman不单是科研高手 貌似也是发文章高手，至少从他的计划来看是如此。
可惜第二篇prl未能如愿以偿，不知道是什么原因。
家园 发明半导体激光得NB的HERT的文章就搞笑了 1962年半导体激光发明后,效率和发热问题使得半导体激光只能在液氮温区工作.一年后,在加州PALO ALTO VARIAN公司工作的德国人HERBERT KROEMER 在听一个有关半导体激光的瓶井问题报告会上,突然间发问:"你为何不把外面的能级做宽点?" ---做宽点就是要再加一层半导体.
听者没有一个放在心里,HERT回去却越来越觉得自己的一嗓子想法对头.
于是他写了一文章投往应用物理杂志(APL),结果给拒绝了.他没死心又发到了IEEE的PROCEEDING杂志上,可能当时更没人注意,接果一等就是4年后才有人注意到.HERT好象也没在VARIAN做半导体了.
苏联的ALFEROV却独立地想出来了双意志节,并且在1970年超过BELL实验室第一个实现了连续室温工作的半导体激光.HERT和ALFEROV都获得了2000年NB.
家园 他的发PRL文章的计划是楼主自己八卦的 没有任何其他当事人的采访来证实.
但是在仔细阅读了这第一篇PRL后,就有了这八卦.
非常高兴你也有同感.
家园 1.1.1MAIMAN成黑马--太多正式选手--红爸爸 第一部:MAIMAN是怎样成为黑马的
第一章:太多正式选手
第一节:红爸爸
MAIMAN为什么不是LASER发明大赛中的正式赛马.
LASER是 LIGHT AMPLIFIER from STIMULATED EMISSION RADIATION(受激辐射光放大器)的缩写---这个名字是由一个象钱学森一样在麦卡西时代受迫害的共党嫌疑分子起的.
这个1941年参加过共产主义学习班的年青人叫GORDON GOULD,由于这段污点历史,他在纽约市立大学的半职教师工作也在麦卡西时代在政审中丢了---怎么能让共党分子毒害下一代?
他遭受的迫害受到哥伦比亚大学物理系主任KUSCH(1955年电子磁矩NB奖获得者)的同情,给他搞了一个RA全奖,于是他可以全职攻读博士学位.他在攻读博士学位其间听了系里面另外一个物理巨人(1964年发明激光的NB奖获得者)TOWNES的有关MASER(MICROWAVE AMPLIFIER from STIMULATED EMISSION RADIATION,受激辐射微波放大器)发明的最新进展.1957年,他和TOWNES胡侃了之后认为可以把MASER的原理从微波波段移植到光波段--为此他在学校旁边的一个杂货铺里面的兼职公证局里把他的原理草图公证了,然后在1959年就申请了LASER专利和学名.这专利比TOWNES后来在BELL实验室申请到的专利足足早了一年.当然由于他的名字远没有TOWNES和SCHAWLOW还有BELL实验室响亮,他的专利申请居然被拒绝了,但这个GOULD一直没有放弃,最后在80年代才赢得了这LASER的第一个专利和老爸的称号.红爸爸也终于发了百万美金的专利财---彻底变修了.
GOULD在毕业后1959年和一个私人公司TRG一起申请到了ARPA的$30万元(后来又增加到$1百万)来造世界的第一个LASER,可惜这时候麦卡西时代的政治审查依然有效,他的研究员资格由于亲共嫌疑被吊销.他的用钾原子来做LASER的项目仍然做了起来,但是由于当时技术条件限制---钾原子很快就附着在玻璃表面被氧化,因此"LASER名字之父"在LASER的发明竞赛中彻底撞了墙.
实际上,LASER和中文翻译激光并不能准确地反应人们要做的和我们今天用的激光---因为这名字仅强调了激发放大,而没有考虑共振腔的设计;而没有共振腔仅仅是放大,激光就无法产生极端的亮度---光谱和方向性.
而这个过早的名字也使得第一个激光的发明成了争论的焦点---楼主认为MASER和LASER的最大不同就是腔的设计和输出偶合.
见MASER共振腔---其输出是用同轴电线实现的.
http://en.wikipedia.org/wiki/Maser
而激光LASER关键在于FP腔和输出,Gould的第一发明和LASER名字专利之父之所以不是虚名在于他画的腔是绝对经典的FP腔(1957年11月公证的,其中草图下提到PARTIALLY REFLECTIVE PARALLEL MIRROR):
外链图片需谨慎，可能会被源头改而TOWNES的57年9月画的腔还是没有从MASER中脱胎换骨--不过TOWNES把激光发生的条件理论公式又强调了一遍:
外链图片需谨慎，可能会被源头改家园 1.2.2MAIMAN成黑马-东方不亮西方亮-巧合 第一部:MAIMAN是怎样成为黑马的
第二章:东方不亮西方亮
第二节:巧合
MAIMAN有了成为黑马的潜力和动力---这是重要的内因,而外因以至于就是巧合和机会也是黑马能够从赛场外冲进来一鸣惊人第一个冲过终点的不可缺少的.
这外部的巧合有几点:
1.首先巨星汇集的东部研究所和苏联的研究院的巨人们都爱单模式激光,他们的考虑都或多或少有MASER的成分,而MASER的主要用途是做高分辨率分子光谱和时间标准--这也是这些巨人们的本行.在这种情况下MASER一般是连续工作才稳定.这就导致那篇1958年的文章的推导都是围绕连续状态, 从理论到建议使用的激发装置和工作过程.这就导致东部巨人们开始就给自己设置了一个太高的标准,同时忽略了脉冲激光的可能和后来的用途.连续激光的激发源种类数量和瞬时尖峰功率远逊于脉冲激发源,这就导致从钾原子到晶体到HE-NE激光的研制极为困难.这困难在于由于受限于激发源功率,最低能级无法被连续地功率激发源泵到高处,形成反转.而只能依靠4能级方案.
2.第二个最大的外在巧合成就了MAIMAN就是WIEDER和SCHAWLOW的合作.他们的合作开始于光泵红宝石(RUBY)MASER.WIEDER在59年的PRL的文章(VOL.3. P.469)里说为了产生较多窄的R线的光来泵RUBY,他用了一块RUBY来产生窄的R线的光.而他在这篇文章里提到的是PINK RUBY---一般低浓度Cr离子的红宝石叫PINK,可是这WIEDER明显是用的RED RUBY --- 很高浓度的Cr离子的红宝石. 而RED RUBY由于复杂的多的光谱和重复吸收,导致所有的测量都给吸收得差不多了, 导致想测的结果不了了之.WIEDER于是就得出了一个SCHAWLOW估计后悔得肠子青的结果--R线的荧光效率只有1%.这结论比TOWNES和SCHAWLOW说的三能级很难形成翻转的预设前提还要糟糕,彻底让SCHAWLOW放心地公开地说了一个错误观点--RUBY的R线是不可能发生激光的.这个公开的言论就是在59年9月在纽约的第一次量子电子学会议上发表的.
图解: RUBY R荧光线 (R1+R2)示意(黑白图取自MAIMAN的NATURE文章),WIEDER在59年的试验结果说R1+R2的效率不会超过激发光(从A2 到F2)的1%
3.另外的巧合就是RUBY也是当时固体MASER的主要材料,而HUGHES虽然没有想做激光,但也有RUBY MASER这主项目.各种各样的RUBY--不同浓度,切割和抛光,镀镜都驾轻就熟.
这些外在巧合,碰上细心的MAIMAN为了做MASER跑到SCHAWLOW做LASER的报告会上听出了漏子,加上和WIEDER的前嫌做动力,一只黑马立即如出弦的弓箭直冲着其他赛马忽视的捷径目标冲了过去!
家园 关于激光我也有几个八卦 激光发明之后，第一篇文章投给了PRL，被拒了。
就在激光实现前六周左右的时间，有个大牛（名字不记得了）提出了激光核聚变的概念，并且计算出了实现核聚变需要的功率。
目前美国Lawrence Livermore国家实验室的高功率激光器就做这个呢，Lawrence Livermore国家实验室简称是LLNL，有人戏谑为Laser, Laser, Nothing but Laser.
受激放大这个理论从Maser到Laser，现在有人又在研究声子的受激放大了。不知道以后会不会出Paser。
家园 第一篇文章投给了PRL，被拒了 该投SCIENCE NATURE。最不济也投个PNAS呀。PRL个么破的杂志，表搭里好了。
家园 那时候SCIENCE还是暴发户的没有地位的出版物
家园 有关PRL拒绝第一个LASER的故事正在写 问题在于,PRL在1个月前发表了MAIMAN的另一篇文章---激光已经象要出来的孩子头,已经5个指头了!!!
"就在激光实现前六周左右的时间，有个大牛（名字不记得了）提出了激光核聚变的概念，并且计算出了实现核聚变需要的功率。"--这我不知道,估计也就是GOULD这样能炸弧的向ARPA吹嘘的.这一涉及到核,当时估计比现在谈到低碳,纳米还要性感---苏联也可能搞,我们的国家安全....$$$就来了,估计后来GOULD和TRG能让ARPA从$30万加到百万也肯定科幻一样地把激光和国防联系到了一起.
至于声子的受激放大已经有受激布里源在先---PASER已经算是有了.