微波激射器和激光器
微波激射器
近年来，科学技术的另一突飞猛进的发展，起始于对氨分子（NH3）的研究。氨分子中的3个氢原子分别位于一个等边三角形的三个顶点上，而1个氮原子则位于三角形中心偏上方。
因此，氨分子内部可能产生振荡，也就是说氨原子沿三角形平面以等距向两边来回振动，其自然频率为每秒240亿次。
最重要的是它的振荡周期相当稳定，比任何人造振荡器的振荡，甚至比星体的运行都要稳定得多。这种振荡的分子可以用来控制电流，而电流再控制计时器，其准确度达到前所未有的程度。1949年，美国物理学家莱昂斯率先把这一研究成果公布于众。到了20世纪50年代中期，这种原子钟在性能上已经超过了所有的普通计时器。如果利用氢原子，其计时精确度达到170万年仅误差1秒。
氨分子在振荡过程中，会放出频率为24×109赫的电磁波。这种电磁波的波长为1.25厘米，属于微波范围。我们可以从另一个角度来解释这种现象：假设氨分子占据两个不同能级中的一级，两能级差等于波长1.25厘米的光子的能量。若氨分子从高能级掉到低能级时，就会发射出上述波长的光子。反之，若位于低能级的分子吸收了这一波长的光子，便能上升至高能级。
但是，若用这种能量的光子去照射已处在高能级的氨分子，又会出现什么情况呢？早在1917年，爱因斯坦就指出，如果发生这种情况，这个位于高能级的分子会再度被拉回低能级，同时会循着入射光子的方向放出1个与其一模一样的光子。这么一来，便出现了2个同等大小的光子，其中只有1个是原来的入射光子。以上的学说在1924年得到了证实。
因此，用微波照射氨分子会产生两种可能的变化，一种是氨分子从低能级升至高能级，另一种是自高能级降到低能级。在一般情况下，前者发生的概率较大，因为在任何时候分子处在高能级的机会毕竟不多。
然而，若是我们能运用某些方法使全部或绝大多数分子都处于高能级，那么岂不是后者发生的机会就较多？的确，这会导致发生一些十分有趣的情况：当第一束微波光子撞击到分子后，将它推至低能级，随即放出第二个光子，这2个光子又分别加速撞击另外2个分子，再放出2个光子，此时共有4个光子，便能使氨释放出一大堆同样大小而且运动方向完全相同的光子。
1953年，美国物理学家汤斯研制出一种方法，将氨分子先固定在高能级，再利用波长适度的微波光子去激励它们。只要有少量的光子射入，便能放射出大量相同的光子，也就是相当于入射的微波被放大了许多倍。
这个过程被称为微波激射放大，这种仪器被称为微波激射器。
微波激射器发展得很快，因为可以使固体中的电子占据高能级或低能级。最初的微波激射器只是间歇式的，固态的和气态的同时存在。也就是说先将氨分子提升至高能级，然后去激励它们。经过一阵快速辐射后，必须重新将氨分子提升至高能级再去激励，才会再有大量光子放射出来。
后来，荷兰出生的美籍物理学家布洛姆伯根提出用三能级系统来克服这个缺点。如果微波激射器选用的芯材具有高、中、低三种能级的电子，那么能级的提升和能量的释放便能同时进行。先使电子自低能级升至高能级，再利用波长适度的光子去激励它们，使它们先掉至中能级，再至低能级。所以，只要有提升能级和激励微波的两种不同的光子，就不会使两个过程相互干扰。这样：连续性微波激射器终于问世。
微波激射器可以作为微波放大器，能够非常灵敏地探测太空中的电波，一旦收到来自外层空间的极微弱的微波束，就能高保真放大，恢复其原始射线特性。（安全再现原始特性，会出现很小的“噪声”。在这方面，微波激射器是绝无噪声的。）微波激射器还被带到外层空间使用。苏联在1965年11月30日发射的宇宙97号人造卫星上的微波激射器，工作情况良好。由于汤斯的贡献，他和其他两位在微波激射器理论方面单独进行研究的苏联科学家巴索夫及普罗霍罗夫共同获得1964年诺贝尔物理学奖。
激光器
从理论上讲，微波激射器技术可应用于任何波长的电磁波，特别是可见光。汤斯在1958年提出了将微波激射器应用于可见光波长的可行方法。产生可见光的微波激射器可称为光激射器。或者，这个特定过程可称做光波激射放大，这种仪器通常称做激光器（图9-15）。
图9-15 连续波激光器由一根石英放电管和两片布儒斯特角窗，以及位于两端的两块凹面镜构成。管内充满某种气体，其原子经过电磁激发至高能级后，再受光束激励，使其放射出特定波长的光子。工作原理就像笛子一般，两个凹面镜之间形成共振腔而产生一串连续的相干波，射出的细光束即为激光
1960年，美国物理学家梅曼研制成功第一台激光器。他用可见光去照射一个由氧化铝和少量氧化铬合成的红宝石棒，结果铬原子的电子被激发至高能级，马上又掉回低能级。最初发射出的几个光子（波长694.3毫微米）激发出其他光子，而且红宝石棒突然发出比太阳表面光要强3倍的深红色光。1960年末，在贝尔实验室工作的伊朗物理学家贾万研制出了一套以氦和氖混合气体作光源的连续激光系统。
激光器使全新形式的光的产生成为可能。与人们以前做出来的任何光源相比，激光是最强而且频宽最窄的单色光（单一波长）。不仅如此，它还有更多的优点。
一般光源，小至萤火虫、柴火，大至太阳光等，不论何种形式，都由一些较短的波束组成，可以把它们看作是指向不同方法的波束。一般的可见光就是由无数这种波束组成的。
然而，激光器所激发出的光，其光子的大小与运动方向都相同，因此每束波的频率都相等，再加上它们是一束束紧密地排成一行，如同焊接在一起一样，所以可以说这种光是由一长串振幅相同（等高）、频率相同（等宽）的波束组成的光，也就是所谓的相干光。其实，物理学家们早已知道如何制作低频相干光，但一直到1960年，才做出可见相干光来。
另外，激光的设计是加强光子在同一方向上运动的自然倾向。红宝石棒的两端经过精细加工，再适当地镀上银层，使之具有平面镜的效果。入射光子会沿着红宝石的长轴来回振动，经过激励后，每次都会释放出更多的光子，直到强度足以穿透那层镀银的表面为止，所射出的光相当精确地与长轴平行。此后，光子便如此地来回运动，一再地撞击两端的“镜子”。如果这时在一个不同的方向上（即使只与原来稍有一点差距）有一适当大小的光子入射进来，顺着这个新的方向便会产生一串受激光子，只要来回反射几次，它们便又会穿透红宝石两端投射出来。
激光束由相干波组成，彼此平行，即使整个光束发射至极远处也不会散开。在经过准确聚焦后，激光甚至可以加热一壶远在千里之外的咖啡。在1962年的实验中发现，从地球发射的激光在经过40万公里的空间旅行之后，在月球表面上只投射出约3公里直径的一个光圈。
激光一问世。科学界马上爆发出对之进行进一步研究的热潮。短短的几年间，从近紫外线到远红外线，数以千计不同波长的激光纷纷被开发出来。几乎各种固态物质、金属氧化物、氟化物、钨酸盐、半导体、液态物质、气态物质都可用来获得激光，只是各有其优劣而已。
1964年，美国物理学家卡斯帕首次发展了一种化学激光，由一个化学反应（最初是利用光脉冲来离解CF3I）做为能量来源。化学激光优于其他普通激光之处在于，释放能量的化学反应可以与激光本身相互配合，不需外加能源。这就好比一般可用电池供电的家用电器一样，远比在墙上找插座接电源才能工作的电器方便。从实际工作效率来看，化学激光的效率比其他类型的激光高，前者是12%强，后者是2%弱。
1966年，兰卡德和索罗金共同研制了有机激光，也就是用一种复杂的有机染料作为相干光的光源。由于有机物分子的复杂性，使得电子间的种种反应有可能发出各种不同波长的光。由此可见，有机激光不像其他激光那样，局限在某一种波长，只要经过适当的调谐，便发出某一个波段内任何波长的光。
激光光束通常都非常细，因此它将所有的能量都集中在极小的一点，这一点的温度非常高。利用此特点，激光可用来气化金属和快速光谱分析。它还可以用来焊接、切割，或在高熔点物体上穿孔，做出需要的形状。同时，外科医生还发现，适当地用激光照射眼睛可以迅速将已经松弛的视网膜重新“焊紧”，而不致烧坏附近的其他组织。同样，还可以用激光切除肿瘤。
为了说明激光用途之广，还有一个通俗但给人印像很深的例子，那就是当激光快速扫过一个打算删改的错字时，会将那个字的墨水蒸发掉，而避免用橡皮更改时擦破纸张，这就是肖洛研制出的神奇的激光擦。另一个极端产品是激光干涉计，它能以空前的精度进行测量。地壳应变增强时，可以用多台激光器测出，激光的干涉条纹的漂移就能测出地壳的微小移动，其精密度可达10－12。此外，首次登上月球的人在月球上留下了一套反射镜系统，以便反射自地球发射出去的激光，准确测出地球和月球的距离。
激光最令人振奋的用途，是利用激光载送通信信号。高频相干光能把数以千计的频道集中在目前一个频道所占的空间里，这是目前的广播电视采用相干无线电波所无法达到的。这为我们展示了这样一幅前景：将来地球上每个人都可以拥有个人通信波长。自然，这必须对激光加以调制，也就是必须把由声音产生的电流变化转变成各种激光的变化（例如，改变振幅、频率或转换成开关信号），然后再变回电流信号。以上设想已在开发中。
可能是光比无线电波更容易受云、雨、雾、露、灰尘等大自然因素的干扰，所以需用包含若干面透镜（逐渐加强光强度）和平面镜（在放电管转角处反射用）的放电管来传导激光。但从二氧化碳激光器推出后，其功率空前，激发出来的等幅激光束即使在红外线区内也能传播得很远，而很少受大气层的影响。不久将来，大气通信想必会成为现实。
最直接的实用例子，是用光纤传导经过调制的激光束。光纤是一种比毛发还细的超透明玻璃管，可以用它取代电话通信用的绝缘铜线。因为玻璃远比铜便宜、普遍，而且激光又能载带更多的信息。因此，在许多地方都可以用一束束轻便的光纤取代一捆捆粗重的铜电缆。
最后，再举激光束的一个最新奇的应用实例：一种崭新的立体摄影术。一般的照像是一束光自物体反射后，在底片上成像，记录的只是光的横截面，而没有记录下光所包含的其他潜在信息。
如果将激光一分为二，一束投射到物体上，被该物体不规则地反射回来，而另一束从平面镜上规则地反射回来。使这两部分光同时投射到底片上，把它们不同波长的干涉情况同时记录下来。从理论上讲，干涉条纹包括了每道光的相关信息。显像后，干涉条纹却看不出来。如果光投射到底片上，并透过底片仍保持干涉特性，则产生一个包含全部信息的像。这是从物体表面反射回来的每道光组成的三维影像，可以从表示投影变化的不同角度拍摄影像。
1947年，匈牙利出生的英籍物理学家伽柏试图探索电子显微镜清晰成像的方法而提出上述设想，他称之为全息摄影术，是拉丁文“全部记下”的意思。
伽柏的想法在理论上完全正确，但在当时却无法实现，因为用普通光不能进行全息摄影。各种波长的光朝着不同的方向运动，两条光束所产生的于涉条纹相当杂乱，所以根本产生不出任何信息，结果就像100万张模糊的影像参差地重叠在一起一样。
然而，激光的问世改变了一切。1965年，利思和厄帕尼斯在密执安大学研究出第一套全息摄影系统。从那以后，全息摄影术飞速发展，甚至有了彩色全息摄影，照出来的干涉条纹用一般的可见光便能看清楚。此外，微观全息摄影似乎可在生物学研究方面增加第四维空间，但尚不能预测结果如何。
（刘崇志 译）
注释：
①早在1041年—1048年我国北宋庆历年间，由毕昇发明了活字印刷术。——译注
②现在，用驻极体代替压电晶体，音质尤佳。——译注
③稀土金属混合物，主要是铯。——译注
