中國的超級項目：  

“神光”計劃——慣性約束核聚變激光驅(qū)動裝置

工程總投資：—不詳         

工程期限：1980年——2030年

“神光”高能激光系統(tǒng)的球形真空靶室和光學(xué)設(shè)備。

     “激光”一詞是“LASER”的意譯。LASER原是Light amplification by stimulated emissi on of radiation取字頭組合而成的專門名詞，在我國曾被翻譯成“萊塞”、“光激射器” 、“光受激輻射放大器”等。1964年，錢學(xué)森院士提議取名為“激光”，既反映了“受激輻射”的科學(xué)內(nèi)涵，又表明它是一種很強(qiáng)烈的新光源，貼切、傳神而又簡潔，得到我國科學(xué)界的一致認(rèn)同并沿用至今。

    世界第一臺激光器問世是在1960年6月,中國第一臺激光器是在1961年9月。從1961年中國第一臺激光器宣布研制成功至今，我國形成了門類齊全、水平先進(jìn)、應(yīng)用廣泛的激光科技領(lǐng)域，并在產(chǎn)業(yè)化上取得可喜進(jìn)步，可以說，在起步階段我國的激光技術(shù)發(fā)展迅速，無論是數(shù)量還是質(zhì)量，都和當(dāng)時國際水平接近，一項創(chuàng)新性技術(shù)能夠如此迅速趕上世界先進(jìn)行列，在我國近代科技發(fā)展史上并不多見。這些成績的取得，尤其是能夠把物理設(shè)想、技術(shù)方案順利地轉(zhuǎn)化成實(shí)際激光器件，主要得力于我國多年來在技術(shù)光學(xué)、精密機(jī)械和電子技術(shù)方面積累的綜合能力和堅實(shí)基礎(chǔ)。

上海光機(jī)所

 我國早期激光技術(shù)的發(fā)展

　　1957年，王大珩等在長春建立了我國第一所光學(xué)專業(yè)研究所——中國科學(xué)院長春光學(xué)精密儀器機(jī)械研究所（簡稱“長春光機(jī)所”）。在老一輩專家?guī)ьI(lǐng)下，一批青年科技工作者迅速成長，鄧錫銘是其中的突出代表。早在1958年美國物理學(xué)家肖洛、湯斯關(guān)于激光原理的著名論文發(fā)表不久，他便積極倡導(dǎo)開展這項新技術(shù)研究，在短時間內(nèi)凝聚了富有創(chuàng)新精神的中青年研究隊伍，提出了大量提高光源亮度、單位色性、相干性的設(shè)想和實(shí)驗(yàn)方案。1960年世界第一臺激光器問世。1961年夏，在王之江主持下，我國第一臺紅寶石激光器研制成功。此后短短幾年內(nèi)，激光技術(shù)迅速發(fā)展，產(chǎn)生了一批先進(jìn)成果。各種類型的固體、氣體、半導(dǎo)體和化學(xué)激光器相繼研制成功。在基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)方面、一系列新概念、新方法和新技術(shù)（如腔的Q突變及轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、行波放大、錸系離子的利用、自由電子振蕩輻射等）紛紛提出并獲得實(shí)施，其中不少具有獨(dú)創(chuàng)性。

我國各類激光器的“第一臺”

第一臺固體紅寶石激光器 1961年9月 王之江等

第一臺He-Ne激光器  1963年7月  鄧錫銘等

第一臺摻釹玻璃激光器 1963年6月  干福熹等

第一臺GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 1963年12月 王守武等

第一臺脈沖Ar+激光器 1964年10月  萬重怡等

第一臺CO2分子激光器 1965年9月  王潤文等

第一臺CH3I化學(xué)激光器 1966年3月  鄧錫銘等

第一臺YAG激光器    1966年7月  屈乾華等

激光技術(shù)的發(fā)展

    中國激光科技從一開始就得到了國家的高度重視。1964年，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（簡稱“上海光機(jī)所”）成立。1964年國家啟動“6403”高能釹玻璃激光系統(tǒng)，建成了具有工程規(guī)模的大口徑（120毫米）振蕩—放大型激光系統(tǒng)，最大輸出能量達(dá)32萬焦耳；改善光束質(zhì)量后達(dá)3萬焦耳。成功地進(jìn)行了打靶實(shí)驗(yàn)，室內(nèi)10米處擊穿80毫米鋁靶，室外2公里距離擊穿0.2毫米鋁耙，并系統(tǒng)地研究了強(qiáng)激光輻射的生物效應(yīng)和材料破壞機(jī)理。最后從技術(shù)上判定熱效應(yīng)是根本性技術(shù)障礙，于1976年下馬。這一項目使我國激光技術(shù)科研水平上了一個臺階。

       中國核科學(xué)奠基人——王淦昌院士，和中國應(yīng)用光學(xué)奠基人——王大珩院士

高功率激光和核聚變研究

1964年王淦昌獨(dú)立提出激光聚變倡議，1965年立項開始研究。經(jīng)幾年努力，建成了輸出功率100億瓦的納秒級激光裝置，并于1973年5月首次在低溫固氘靶、常溫氘化鋰靶和氘化聚乙烯上打出中子。1974年研制成功我國第一臺多程片狀放大器，把激光輸出功率提高了10倍，中子產(chǎn)額增加了一個量級。在國際上向心壓縮原理解密后，積極跟蹤并于1976年研制成六束激光系統(tǒng)，對充氣玻殼靶照射，獲得了近百倍的體壓縮。這一系列的重大突破，使我國的激光聚變研究進(jìn)入世界先進(jìn)行列，也為以后長期的持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。我國的激光科技事業(yè)，雖然也遭遇了“文革”十年浩劫，但借助于重點(diǎn)項目的支撐，仍艱難地生存了下來并取得了可貴的進(jìn)展。

改革開放后，我國激光技術(shù)獲得了空前發(fā)展的機(jī)遇。1980年5月，分別在上海、北京舉行了第一次國際激光會議，與會代表218人（國外66人），鄧小平同志親切接見了與會中外代表。1983年在廣州和1986年在廈門又舉行了第二次、第三次國際會議，改變了我國的激光技術(shù)多年來封閉運(yùn)轉(zhuǎn)的局面，開始走向世界。先后成立了一批國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、開放實(shí)驗(yàn)室、國家工程研究中心和產(chǎn)學(xué)研組織。在多項國家級戰(zhàn)略性科技計劃中，激光技術(shù)受到重視。“863”計劃七大領(lǐng)域中有激光技術(shù)和光電子技術(shù)（包括用于信息領(lǐng)域的激光技術(shù)），1995年又增列了“慣性約束聚變”主題。國防預(yù)研光電子技術(shù)作為跨部門項目正式立項，其中也包括激光技術(shù)。國家“六五”和“七五”攻關(guān)計劃，激光技術(shù)被列為重大項目。

慣性約束聚變激光驅(qū)動器

   人類的能源從根本上說來自核聚變反應(yīng)，即發(fā)生在太陽上的“輕核聚變”。人類已經(jīng)在地球上實(shí)現(xiàn)了不可控的熱核反應(yīng)，即氫彈爆炸。要獲得取之不盡的新能源，必須使這一反應(yīng)在可控條件下持續(xù)地進(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)可控核聚變有兩種方法，一是科學(xué)家們用托卡馬克裝置開展“磁約束聚變”的研究。另一條技術(shù)路線于20世紀(jì)60年代初提出的“激光慣性約束核聚變”。

   慣性約束核聚變( Inertial Confined Fusion ICF ）的基本原理是：使用強(qiáng)大的脈沖激光束照射氘、氚燃料的微型靶丸上，在瞬間產(chǎn)生極高的高溫和極大的壓力，被高度壓縮的稠密等離子體在擴(kuò)散之前，向外噴射而產(chǎn)生向內(nèi)聚心的反沖力，將靶丸物質(zhì)壓縮至高密度和熱核燃燒所需的高溫，并維持一定的約束時間，完成全部核聚變反應(yīng)，釋放出大量的聚變能。然而聚變反應(yīng)所要求的條件卻極為苛刻。首先要有1億度左右的高溫；其次，參與反應(yīng)的粒子密度要足夠高并能維持一定的反應(yīng)時間，即‘nτ’值要達(dá)到1百萬億（秒/厘米3）以上，這就是著名的勞遜判據(jù)。一些國家的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在這類激光裝置上作了大量的基礎(chǔ)研究工作。美國、法國等已著手建造更大規(guī)模的巨型激光器，期望能夠?qū)崿F(xiàn)激光熱核“點(diǎn)火”。

  我國從上世紀(jì)60年代即開始慣性約束聚變的研究，在王淦昌、王大珩的指導(dǎo)下，中國科學(xué)院和中國工程物理研究院從80年代開始聯(lián)合攻關(guān)，上海光機(jī)和長春光機(jī)都是協(xié)作單位。六十年代初，我國激光聚變研究剛剛起步的時候，錢學(xué)森院士就形像地指出：你們的事業(yè)是在地球上人造一個小太陽！ICF研究中關(guān)鍵設(shè)備是大功率的激光器。

  神光I的主放大系統(tǒng)

神光-Ⅰ

   1964年,我國著名核物理學(xué)家王淦昌院士獨(dú)立地提出激光聚變思想,并建議了具體方案. 按照這一創(chuàng)議,在我國第一個激光專業(yè)研究所-中國科學(xué)院上海光機(jī)所開始了高功率激光驅(qū)動器的研制和應(yīng)用并于 1971年獲得氘-氘碰撞中子. 1978年中國工程物理研究院和中國科學(xué)院攜手合作, ICF研究進(jìn)入了全面發(fā)展的新階段。近廿年來, 致力于研制和應(yīng)用釹玻璃激光驅(qū)動器 -“神光”系列裝置, 取得了顯著進(jìn)展, 推動了我國慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)和理論研究, 并在國際上占有一席之地。

  1977年，上海光機(jī)所利用1千億瓦的6束激光系統(tǒng)裝置，對充氣玻殼靶照射獲得了近百倍的體壓縮。使我國的激光聚變研究進(jìn)入了逐級論證向心聚爆原理的重要發(fā)展階段，為以后長期的持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1980年，王淦昌提出建造脈沖功率為1萬億瓦固體激光裝置的建議，稱為激光12號實(shí)驗(yàn)裝置(神光I)。激光12號實(shí)驗(yàn)裝置是建立在中國科學(xué)院上海光機(jī)所的一臺大型高功率激光實(shí)驗(yàn)裝置，位于上海市嘉定區(qū)清河路390號光機(jī)所內(nèi)，1983年由上海光機(jī)所設(shè)計，總建筑面積4612平方米，為4層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，總高度15米。該裝置輸出兩束口徑為200mm的強(qiáng)光束，每束激光的峰功率達(dá)1萬億瓦，脈沖寬度有1ns和100ps兩種，波長為1.053μm的紅外光，可倍頻到0.53μm綠光。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配有物理實(shí)驗(yàn)靶室及全套診斷測量設(shè)備，能開展激光加熱與壓縮等離子物理現(xiàn)象的研究和激光X光譜等基礎(chǔ)研究工作。

  1985年7月，激光12號裝置按時建成并投入試運(yùn)行。試運(yùn)行中成功地進(jìn)行了三輪激光打靶試驗(yàn)，取得了很有價值的結(jié)果，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該裝置是中國規(guī)模最大的高功率釹玻璃激光裝置，在國際上也是為數(shù)不多的大型激光工程。它由激光器系統(tǒng)、靶場系統(tǒng)、測量診斷系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境工程系統(tǒng)組成。輸出激光總功率達(dá)1萬億瓦量級，而激光時間只有一秒鐘的十億分之一到百億分之一。可用透鏡聚焦到50毫微米的尺寸上，能產(chǎn)生10萬億億瓦/厘米2的功率密度。將這樣的光束聚焦在物質(zhì)的表面，可以產(chǎn)生上千萬度的高溫，并由此產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波和反沖擊壓力。該裝置的高精度靶場系統(tǒng)，能適應(yīng)0.1毫米量級的微球靶、黑洞靶、臺階靶、各類X光靶等多種靶型的實(shí)驗(yàn)需要，并具有單束、雙束及兩路并束激光打靶的功能，為進(jìn)行激光核聚變新能源研究及其他多種物理研究得供了重要實(shí)驗(yàn)手段。1987年6月通過國家級的鑒定。

 它的建成為進(jìn)行世界前沿領(lǐng)域的激光物理試驗(yàn)提供了有利的手段，對尖端科研和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)均具有重要意義。1986年夏天，張愛萍將軍為激光12號實(shí)驗(yàn)裝置親筆題詞“神光”。于是，該裝置正式命名為神光-Ⅰ。1989年起，神光I直接驅(qū)動獲5000000中子產(chǎn)額，間接驅(qū)動獲10000中子產(chǎn)額，沖擊波壓強(qiáng)達(dá)0.8TPa，獲近衍射極限類氖鍺X光激光增益飽和。1990年，神光I獲得國家科技進(jìn)步獎一等獎。

                                神光-Ⅱ裝置的球形真空靶室

神光-Ⅱ

    1993年，國家“863”計劃確立了慣性約束聚變主題，進(jìn)一步推動了國家慣性約束聚變研究和高功率激光技術(shù)的發(fā)展。1994年，神光-Ⅰ退役。神光-Ⅰ連續(xù)運(yùn)行8年，在激光慣性約束核聚變和X射線激光等前沿領(lǐng)域取得了一批國際一流水平的物理成果。1994年5月18日，神光Ⅱ裝置立項，工程正式啟動，規(guī)模比神光-Ⅰ裝置擴(kuò)大4倍。

    神光Ⅱ裝置采用了國產(chǎn)高性能元器件，獨(dú)立自主解決了一系列的科學(xué)技術(shù)難題，達(dá)到國際最先進(jìn)的高功率固體激光驅(qū)動器水平，實(shí)現(xiàn)我國這一領(lǐng)域新的跨越。該系統(tǒng)由激光器系統(tǒng)、靶場系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、光路自動準(zhǔn)直系統(tǒng)、激光參數(shù)測量系統(tǒng)以及環(huán)境、質(zhì)量保障等系統(tǒng)組成，集成了數(shù)百臺套的各類激光單元或組件，在空間排成8路激光放大鏈，技術(shù)參數(shù)與當(dāng)今世界上最先進(jìn)的在運(yùn)行的美國OMEGA裝置相當(dāng)。2000年，神光Ⅱ裝置8路基頻功率達(dá)到8萬億瓦，開始試運(yùn)行打靶。2000年起，直接驅(qū)動獲40億中子產(chǎn)額，間接驅(qū)動獲1億中子產(chǎn)額，直接驅(qū)動沖擊波壓強(qiáng)達(dá)1.5TPa，間接驅(qū)動沖擊波壓強(qiáng)達(dá)3.7TPa。2001年8月，神光Ⅱ裝置建成，總輸出能量達(dá)到6千焦耳／納秒，或8萬億瓦／100皮秒，總體性能達(dá)到國際同類裝置的先進(jìn)水平。

   “神光Ⅱ”的數(shù)百臺光學(xué)設(shè)備集成在一個足球場大小的空間內(nèi)。神光Ⅱ能同步發(fā)射8束激光，在約150米的光程內(nèi)逐級放大：每束激光的口徑能從5毫米擴(kuò)為近240毫米，輸出能量從幾十個微焦耳增至750焦耳/束。當(dāng)8束強(qiáng)激光通過空間立體排布的放大鏈聚集到一個小小的燃料靶球時，在十億分之一秒的超短瞬間內(nèi)可發(fā)射出相當(dāng)于全球電網(wǎng)電力總和數(shù)倍的強(qiáng)大功率，從而釋放出極端壓力和高溫，輻照充滿熱核燃料氣體的玻璃球殼，急速壓縮燃料氣體，使它瞬間達(dá)到極高的密度和溫度，從而引發(fā)熱核聚變。神光Ⅱ已實(shí)現(xiàn)“全光路自動準(zhǔn)值定位”，實(shí)驗(yàn)中能及時糾正因震動和溫度變化而帶來的儀器微偏，使輸出激光經(jīng)聚焦后可精確穿過一個約0.3毫米的小孔，僅比一根頭發(fā)絲略粗一點(diǎn)。

    判斷超短超強(qiáng)激光系統(tǒng)的性能有兩個重要技術(shù)指標(biāo)：一是時間尺度，二是輸出功率。2004年4月，神光Ⅱ裝置成功突破100萬億瓦大關(guān)，輸出峰值功率達(dá)到120萬億/36飛秒。目前，國際上只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家的著名實(shí)驗(yàn)鈦寶石激光裝置輸出功率超過100萬億瓦。這意味著神光Ⅱ在1000萬億分之36秒的超短瞬間內(nèi)，迸發(fā)出相當(dāng)于全球電網(wǎng)發(fā)電總和數(shù)十倍的強(qiáng)大功率。這種極端物理條件，自然界中只有在核爆中心、恒星內(nèi)部和宇宙黑洞邊緣才能存在。上海光機(jī)所強(qiáng)光光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科技人員屢屢刷新這兩大指標(biāo)，在不到１０平方米的光學(xué)平臺上創(chuàng)造出一次又一次“更快更強(qiáng)”的奇跡。2006年4月13日，神光Ⅱ裝置新添的第9束激光輸出能量打破紀(jì)錄，較此前提高了5.8倍，第9路光束口徑，由前8路的每束190毫米增至310毫米，單路能量輸出達(dá)5100焦耳，離為核聚變“點(diǎn)火”更近一步。

                                      神光Ⅱ的主放大系統(tǒng)

   截至2006年，神光Ⅱ裝置已經(jīng)累計提供運(yùn)行打靶3000多發(fā)次。開展了慣性約束聚變、X光激光等研究約30輪物理實(shí)驗(yàn)，獲得具有十分重要意義的結(jié)果。其中激光慣性約束直接驅(qū)動打靶，獲得單發(fā)40億中子，是國際同類裝置獲中子產(chǎn)額的最好水平。開展的物理實(shí)驗(yàn)為我國ICF研究做出了重大貢獻(xiàn)，標(biāo)志著我國激光慣性約束實(shí)驗(yàn)已經(jīng)真正躍上了一個短波長、大功率激光打靶的新階段，對提高綜合國力具有重要意義。

國產(chǎn)450mm×500mm×1000mm大KDP晶體，大口徑磷酸二氫鉀(KDP)晶體是唯一可用作激光約束核聚變中Pockels盒和倍頻器件的晶體材料，但是KDP晶體本身具有質(zhì)軟、易潮解、脆性高、對溫度變化敏感、易開裂等一系列不利于光學(xué)加工的特點(diǎn)，也是ICF光學(xué)元件制造中公認(rèn)的最困難的環(huán)節(jié)。

神光-Ⅲ

  1995年，激光慣性約束核聚變在“863計劃”中立項，我國科研人員開始研制跨世紀(jì)的巨型激光驅(qū)動器——“神光-Ⅲ”裝置，計劃建成十萬焦耳級的激光裝置。2007年2月4日，中物院神光Ⅲ激光裝置實(shí)驗(yàn)室工程舉行了盛大的開工奠基儀式。該工程位于綿陽中國工程物理研究院內(nèi)，建筑面積28154m2，平面布置：呈長方形布置，建筑物總長178m，總寬75m，建筑結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。規(guī)劃中的“神光-Ⅲ”裝置是一個巨型的激光系統(tǒng)，比當(dāng)前世界最大的NOVA裝置還要大一倍多。原計劃它具有60束強(qiáng)光束,紫外激光能量達(dá)60KJ,質(zhì)量和精密性要達(dá)到廿一世紀(jì)的國際先進(jìn)水平，現(xiàn)在該計劃可能已經(jīng)進(jìn)一步修改，以提高能量規(guī)模。慣性約束聚變點(diǎn)火工程（2020年）被已確定為《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》的十六項重大專項之一。 

  目前，神光-Ⅲ原型裝置“十五”建設(shè)目標(biāo)已圓滿完成，達(dá)到“8束出光，脈沖-萬焦耳”的水平，標(biāo)志著我國成為繼美、法后世界上第三個系統(tǒng)掌握新一代高功率激光驅(qū)動器總體技術(shù)的國家，使我國成為繼美國之后世界上第二個具備獨(dú)立研究、建設(shè)新一代高功率激光驅(qū)動器能力的國家。

  神光Ⅲ裝置是世紀(jì)之交我國歷史上光學(xué)領(lǐng)域最宏偉的科學(xué)工程，必將全面帶動相關(guān)科學(xué)技術(shù)攀登世界水平，是我國綜合國力在科技領(lǐng)域的標(biāo)志性體現(xiàn)，其作用和意義不亞于當(dāng)年的“兩彈”。這是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇，在王淦昌、王大珩、于敏等老一輩科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)下，已奮斗了三十多年,取得矚目成果，而這只不過是序幕，需要幾代人的不懈努力。根據(jù)規(guī)劃，我國在2010年前后還將研制“神光IV”核聚變點(diǎn)火裝置。

2008年11月16日晚，中央電視臺新聞聯(lián)播曝光了中國工程物理研究院的慣性約束核聚變激光驅(qū)動裝置原型。

光學(xué)百年論戰(zhàn)與光量子假說

  太陽輻射給地球帶來了光和熱，也讓生命煥發(fā)了活力。早在兩三千年前的古代，就有人對光學(xué)進(jìn)行研究，那么“光”到底是什么呢？數(shù)千年來科學(xué)家們一直為這個問題爭論不休。古希臘人曾認(rèn)為光是從人的眼睛里發(fā)射出去的東西，當(dāng)它到達(dá)某樣事物的時候，就被我們看見了。1655年，意大利數(shù)學(xué)家格里馬第通過實(shí)驗(yàn)提出，光可能是一種類似水波的流體，光的不同顏色是波動頻率不同的結(jié)果。英國物理學(xué)家胡克，在1665年出版的《顯微術(shù)》一書中明確支持光的“波動說”。1666年，牛頓用三棱鏡做分光實(shí)驗(yàn)，把白光分解為從紅到紫的七種色光。此后他提出光的“微粒說”，認(rèn)為光是由一顆顆微粒組成的粒子流，不同色光是不同的粒子。光的分解就像把不同顏色的顆粒分開來一樣。發(fā)光物體不斷向周圍空間發(fā)射高速直線飛行的光粒子流，一旦光粒子進(jìn)入人的眼睛，沖擊視網(wǎng)膜，就引起了視覺。牛頓用微粒說解釋了光的折射、反射等現(xiàn)象，但是用微粒說解釋光的衍射等現(xiàn)象卻有點(diǎn)麻煩。胡克和牛頓為此展開了激烈爭論。1678年，荷蘭科學(xué)家惠更斯進(jìn)一步發(fā)展了光的波動學(xué)說。他認(rèn)為光是一種機(jī)械波，由發(fā)光物體振動引起，依靠一種叫做“以太”的彈性媒質(zhì)來傳播脈沖。“以太”是古希臘時期就想象出來的一種物質(zhì)。假設(shè)它無處不在，充滿宇宙空間，因此光線可以在真空環(huán)境中傳播?；莞褂靡蕴▌诱f解釋了各種光學(xué)現(xiàn)象。

    牛頓的“微粒說”與惠更斯的“波動說”構(gòu)成了關(guān)于光的兩大基本學(xué)說，并由此產(chǎn)生了激烈的爭論。眾多科學(xué)家就光是波還是微粒這一問題，展開了一場長達(dá)兩百多年的拉鋸戰(zhàn)。因牛頓在學(xué)術(shù)界的巨大影響力，“微粒說”一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。進(jìn)入19世紀(jì)后，形勢開始逆轉(zhuǎn)。多位科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)，證明光具有波動性。1865年，英國物理學(xué)家麥克斯韋通過對電磁現(xiàn)象的研究，建立了電磁學(xué)，并將光和電磁現(xiàn)象統(tǒng)一起來，計算出電磁波的傳播速度和光速相等。他認(rèn)為光就是電磁波（電磁波動說），肉眼看到的光只是一種特定頻率的電磁波。1887年，德國科學(xué)家赫茲在實(shí)驗(yàn)后，也認(rèn)同了麥克斯韋的推斷。各種電磁波的反射、衍射和干涉實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了電磁波和光波的一致性。波動學(xué)說的勝利也是以太學(xué)說的勝利。在19世紀(jì)末，物理學(xué)界普遍認(rèn)為“以太”是電、磁、光現(xiàn)象的共同載體。

    然而1887年底，美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷，使用高精度的邁克爾遜干涉儀，測量以太的漂移速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)“以太”可能根本就不存在，這一結(jié)果引起科學(xué)界震驚。多位科學(xué)家做了一系列實(shí)驗(yàn)，都沒有發(fā)現(xiàn)以太。這就如同經(jīng)典物理學(xué)圣殿失去了地基。同時，赫茲發(fā)現(xiàn)銅質(zhì)小球在紫外線照射下，會從金屬表面釋放出帶電粒子，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。大量的實(shí)驗(yàn)表明，微弱的紫外線能從金屬表面打出電子，而很強(qiáng)的紅外線卻不能打出電子，就是說光電效應(yīng)的產(chǎn)生只取決于光的頻率，而與光的強(qiáng)度無關(guān)。這個現(xiàn)象用光的波動說是解釋不了的。因?yàn)殡姶爬碚撜J(rèn)為光是一種電磁波，它的能量是連續(xù)的，和光波的強(qiáng)度（即振幅）有關(guān)，而和光的頻率（即顏色）無關(guān)，而事實(shí)卻與此相反。如果把光看成是由粒子組成的能量流，卻可以解釋光電效應(yīng)。

    1900年，德國物理學(xué)家普朗克在研究熱輻射的過程中，提出了能量量子化假說。根據(jù)這一假說，在光波的發(fā)射和吸收過程中，發(fā)射體和吸收體的能量變化是不連續(xù)的，能量值只能取某個最小能量元的整數(shù)倍，這一最小能量元被稱為“能量子”。1905年，還在瑞士伯爾尼專利局工作的愛因斯坦博士，接連發(fā)表了5篇影響深遠(yuǎn)的論文，解決了困擾當(dāng)時物理學(xué)界的一些最重要的難題，改變了我們對時間、空間、物質(zhì)和光的看法。其中第一篇就是《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變的一個啟發(fā)性觀點(diǎn)》，文中提出光量子假說和光電效應(yīng)的基本定律。在傳統(tǒng)的物理理論中，物體是由一個一個原子組成的，是不連續(xù)的，而光（電磁波）卻是連續(xù)的。光波的連續(xù)性和原子的不連續(xù)性之間有著深刻的矛盾。為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦在普朗克能量子假說的基礎(chǔ)上提出了“光量子”假說。愛因斯坦認(rèn)為，能量子概念不只是在光波的發(fā)射和吸收時才有意義，光波本身就是由一個個不連續(xù)的、不可分割的能量量子所組成的。

    愛因斯坦大膽假設(shè)：光是由一顆顆粒子組成的粒子流，粒子以光速運(yùn)動。他把這種粒子叫做“光量子”。每個光量子的能量要達(dá)到一定數(shù)值才能克服電子的逸出功，從金屬表面打出電子來。微弱的紫外線雖然數(shù)目比較少，但是每個光量子的能量足夠大，所以能從金屬表面打出電子來；很強(qiáng)的紅外線，光量子的數(shù)目雖然很多，但每個光量子的能量不夠大，不足以克服電子的逸出動，所以不能打出電子來。光量子論復(fù)活了光的“微粒說”，但愛因斯坦并沒有拋棄光的波動說。他認(rèn)為光既有波動性又有粒子性，也就是說光具有波粒二象性。

    愛因斯坦提出的光量子假說，遭到科學(xué)界的長期反對，當(dāng)時普遍被接受的是光的電磁波動說。美國物理學(xué)家密立根曾花費(fèi)十年時間去做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。最初他不相信光量子理論，企圖以實(shí)驗(yàn)來否定它，但實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻同他最初的愿望相反。1915年密立根宣告，他的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦光電效應(yīng)公式。由于遭到各種勢力的攻擊，直至1922年，瑞典皇家科學(xué)院才將1921年度的諾貝爾物理學(xué)獎，補(bǔ)發(fā)給了愛因斯坦。獲獎理由也僅僅限制在他成功解釋了光電效應(yīng)，而不是相對論。1923年美國物理學(xué)家康普頓成功地用光量子概念，解釋了X光被物質(zhì)散射時波長變化的康普頓效應(yīng)。它進(jìn)一步證實(shí)了愛因斯坦的光子理論，揭示出光的波粒二象性，從而使光量子概念被廣泛接受和應(yīng)用。光量子理論帶動理論物理和實(shí)驗(yàn)在多個領(lǐng)域的重大進(jìn)展，例如：激光、量子場論、量子光學(xué)、量子計算、玻色-愛因斯坦凝聚等。1926年，美國化學(xué)家路易斯把光量子改名為光子（photon）。

    以現(xiàn)有理論，光是原子或分子內(nèi)的電子運(yùn)動狀態(tài)改變時所發(fā)出的電磁波。光子是電磁輻射的載體，它有速度、能量、動量、質(zhì)量，在真空中的傳播速度是光速。光子的靜止質(zhì)量嚴(yán)格為零，由于光子無法靜止，所以它沒有靜止質(zhì)量，這兒的質(zhì)量是光子的相對論質(zhì)量。光子具有波粒二象性：衍射現(xiàn)象證明光子具有波動性，光電效應(yīng)證明光子具有粒子性。對可見光而言，單個光子攜帶的能量約為4×10-19焦耳，這樣大小的能量足以激發(fā)起眼睛上感光細(xì)胞的一個分子，從而引起視覺。一個光子能量的多少與波長相關(guān)，波長越短，能量越高。光的顏色取決于光的波長。

    從廣義上說：光是波長比電波短，頻率比電波高的電磁波的總稱。人類肉眼所能看到的可見光只是整個電磁波譜中很小的一部分，波長為0.39-0.77微米。波長0.77-1000微米的電磁波，稱為“紅外線”。波長0.39-0.01微米的電磁波，稱“紫外線”。紅外線和紫外線不能引起視覺，但可以用光學(xué)儀器或攝影方法去量度和探測。所以在光學(xué)中，光的概念也可以延伸到紅外線和紫外線，甚至X射線（波長0.001-10納米）領(lǐng)域。波長更短的還有伽瑪射線（波長＜0.001納米）和宇宙射線，它們都帶有極高的能量。波長0.1毫米至1米的電磁波稱為微波（包括亞毫米波、毫米波、厘米波、分米波），1-10米稱為超短波（米波），10-100米稱為短波，100-1000米稱為中波，1-10公里稱為長波，10-100公里稱為甚長波，100公里以上稱為極長波。微波多用于手機(jī)、雷達(dá)、微波爐等設(shè)備。超短波至極長波多用于各類通訊設(shè)施。理論上，電磁波的波長不存在下限和上限，可達(dá)無窮短以及無窮長。這就形成了完整的電磁波譜。

    這是世界上獨(dú)一無二的照片。1927年10月第五屆索爾維會議在比利時首都布魯塞爾召開，會議主題為“電子和光子”。當(dāng)時世界上最著名的科學(xué)家齊集一堂，討論重新闡明的量子理論。這次會議上爆發(fā)了“玻爾-愛因斯坦論戰(zhàn)”——愛因斯坦以“上帝不會擲骰子”的觀點(diǎn)反對海森堡的測不準(zhǔn)原理，而玻爾反駁道，“愛因斯坦，不要告訴上帝怎么做”。參加這次會議的29人中有17人成為諾貝爾獎獲得者。索爾維是比利時化學(xué)家和企業(yè)家，依靠索爾維制堿法發(fā)了大財。由他冠名出資，召開了這場世界最高水平的學(xué)術(shù)會議。這張照片攝于攝于國際索爾維物理研究所，攝影師為本杰明庫普利。

    照片第一排左起：1伊文·朗繆爾（美國科學(xué)家，1932年諾貝爾化學(xué)獎）；2馬克斯·普朗克（德國物理學(xué)家，量子論的奠基人，1918年諾貝爾物理學(xué)獎）；3居里夫人（法國科學(xué)家，第一位兩次獲得諾貝爾獎的人）；4洛侖茲（荷蘭科學(xué)家，創(chuàng)立經(jīng)典電子論，1902年諾貝爾物理學(xué)獎）；5愛因斯坦（德裔美國物理學(xué)家，現(xiàn)代物理學(xué)的奠基人）；6保羅·朗之萬（法國物理學(xué)家，推動中國物理學(xué)會的成立）；7Ch. E. Guye；8查爾斯·威爾遜（英國科學(xué)家，1927年諾貝爾物理學(xué)獎）；9歐文·里查森（英國科學(xué)家，熱離子學(xué)創(chuàng)始人，1928年諾貝爾物理學(xué)獎）。

    照片第二排左起：1彼得·德拜（美國科學(xué)家，1936年諾貝爾化學(xué)獎）；2馬丁·努森；3威廉·布拉格（英國物理學(xué)家，現(xiàn)代固體物理學(xué)奠基人，1915年諾貝爾物理學(xué)獎）；4亨德里克·克拉默斯（荷蘭物理學(xué)家）；5保羅·狄拉克（英國物理學(xué)家，量子力學(xué)的奠基人之一，1933年諾貝爾物理學(xué)獎）；6亞瑟·康普頓（美國物理學(xué)獎，1927年諾貝爾物理學(xué)獎）；7路易·德布羅意（法國物理學(xué)家，物質(zhì)波理論的創(chuàng)立者，1929年諾貝爾物理學(xué)獎，朗之萬的學(xué)生）；8馬克斯·玻恩（德國物理學(xué)家，1954年諾貝爾物理學(xué)獎）9尼爾斯·玻爾（丹麥物理學(xué)家，哥本哈根學(xué)派的創(chuàng)始人，1922年諾貝爾物理學(xué)獎）。

    照片第三排左起：1奧古斯特·皮卡爾德（瑞士物理學(xué)家兼探險家，第一個乘熱氣球到達(dá)平流層的人）；2埃米爾·亨里奧特（法國化學(xué)家，居里夫人的學(xué)生）；3保羅·埃倫費(fèi)斯特（荷蘭物理學(xué)獎）；4Ed.赫爾岑；5T.de.Donder（德唐德，比利時熱化學(xué)家）；6埃爾溫·薛定諤（奧地利物理學(xué)家，概率量子力學(xué)—波動力學(xué)的創(chuàng)始人，1933年諾貝爾物理學(xué)獎）；7埃米爾·費(fèi)爾沙費(fèi)爾特（比利時物理學(xué)家）；8沃爾夫?qū)?/span>·泡利（美籍奧地利科學(xué)家，1945年諾貝爾物理學(xué)獎）；9沃納·海森堡（德國物理學(xué)獎，量子力學(xué)創(chuàng)始人之一，1932年諾貝爾物理學(xué)獎）；10拉爾夫·福勒（英國物理學(xué)家）；11里昂·布里淵（法國物理學(xué)家，美國國家科學(xué)院院士）。這是現(xiàn)代物理學(xué)群星璀璨的時代，其中幾位后來參與了各國的核武器研制計劃。

愛因斯坦與激光原理

    普朗克的量子概念，不但對光學(xué)產(chǎn)生沖擊，同時也帶來了原子物理的大發(fā)展。1911年，英國物理學(xué)家盧瑟福把原子結(jié)構(gòu)和太陽系進(jìn)行類比，提出了一個原子模型。他認(rèn)為原子結(jié)構(gòu)像是一個小小的太陽系，中間是原子核，電子分布在原子核周圍。原子核帶正電，電子帶負(fù)電，電子圍繞原子核不停地旋轉(zhuǎn)（同時也不停地自轉(zhuǎn)，電子自旋由烏倫貝克與哥德斯密特在1925年提出）。原子核體積極其微小，卻集中了99.96%以上的原子質(zhì)量。原子核與電子所攜帶的正負(fù)電荷數(shù)量相等，因此對外呈中性。但是根據(jù)麥克斯韋的電磁學(xué)，盧瑟福原子模型缺乏穩(wěn)定性：帶電荷的原子核與電子之間會放出電磁輻射，導(dǎo)致電子不斷失去自己的能量，不得不逐漸縮小運(yùn)行半徑，直到最終“墜毀”在原子核上。

    1912年，盧瑟福的學(xué)生，27歲的丹麥物理學(xué)家玻爾（N.H.D.Bohr），跳出電磁學(xué)的束縛，將普郎克的量子概念，與盧瑟福原子模型結(jié)合，提出核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型。1913年，玻爾發(fā)表《論原子和分子的構(gòu)造》，提出了原子定態(tài)、量子躍遷等重要概念。他將原子中的電子運(yùn)動軌道量子化，假設(shè)電子只能在特定軌道繞原子核運(yùn)動，而無法在軌道之間的空白地帶自由游蕩。不同軌道的電子有不同的動能、勢能，這些能量值叫做能級。在正常狀態(tài)下，原子處于最低能級，這時電子在離核最近的軌道上運(yùn)動，既不輻射也不吸收能量（電磁波），原子結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。這種定態(tài)叫做基態(tài)。當(dāng)原子受到外界能量（如熱能、電能或光能）激發(fā)時，其最外層的電子吸收一定頻率的電磁波（吸收光子）而躍遷到較高的能級上，此時原子處于激發(fā)狀態(tài)。這種激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，在極短的時間內(nèi)（10-8秒），原子便釋放一定頻率的電磁波（高能級的電子釋放光子，回到低能級），恢復(fù)到基態(tài)。原子吸收和釋放的能量，必須正好等于電子兩個能級的差。這種能量也就是電磁波的頻率，即光的波長。不同原子從激發(fā)態(tài)還原成基態(tài)所釋放的能量不同，因此也就形成了原子光譜。（電子沿軌道運(yùn)動是經(jīng)典物理的概念，后已被量子力學(xué)的幾率分布概念所取代，但由于它的直觀性，現(xiàn)在仍然經(jīng)常用軌道這個述語來近似地描述原子內(nèi)部電子運(yùn)動的規(guī)律性。）

    1916年，愛因斯坦發(fā)表《關(guān)于輻射的量子理論》。他在玻爾的基礎(chǔ)上，提出了“自發(fā)和受激輻射”理論，而這正是激光理論的物理學(xué)基礎(chǔ)。因此愛因斯坦被認(rèn)為是激光理論之父。在這篇論文中，愛因斯坦將光的吸收和發(fā)射，區(qū)分為三種過程：受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射。受激吸收就是處于基態(tài)的原子吸收外界輻射而躍遷到激發(fā)態(tài)。自發(fā)輻射是指激發(fā)態(tài)的原子自發(fā)地輻射出光子并恢復(fù)成基態(tài)。自發(fā)輻射的特點(diǎn)是每一個原子的躍遷是自發(fā)的、獨(dú)立進(jìn)行的，其過程全無外界的影響，彼此之間也沒有關(guān)系。因此它們發(fā)出的光子的狀態(tài)是各不相同的。這樣的光中，光子與光子之間，毫無關(guān)聯(lián)，即波長不一樣、相位不一樣，偏振方向不一樣、傳播方向不一樣，相干性差，方向散亂。太陽光、燭光，手電筒、白熾燈、熒光燈或霓虹燈發(fā)出的光，甚至螢火蟲發(fā)光，都屬于自發(fā)輻射形式。

    而受激輻射則相反，受激輻射是指處于激發(fā)態(tài)的原子在光子的“刺激”或者“感應(yīng)”下，恢復(fù)成基態(tài)，并輻射出一個和入射光子同樣頻率的光子。這好比清晨公雞打鳴，一個公雞叫起來，其他的公雞受到“刺激”也會發(fā)出同樣的聲音。（實(shí)際上，激光的原理就是以可控的方式讓這些電子躍遷以相同的相位釋放光子。）受激輻射的最大特點(diǎn)是由受激輻射產(chǎn)生的光子與其他光子是關(guān)聯(lián)的，它們的波長一致、相位一致、偏振方向一致、傳播方向一致。。激光就好像是一支紀(jì)律嚴(yán)明的光子部隊。這樣，通過一次受激輻射，一個光子變?yōu)閮蓚€相同的光子。這意味著光被加強(qiáng)了。這正是產(chǎn)生激光的基本過程。當(dāng)我們創(chuàng)造一種條件，譬如采用適當(dāng)?shù)拿劫|(zhì)、共振腔、足夠的外部電場，受激輻射得到放大從而比受激吸收要多，那么總體而言，就會有光子射出，從而產(chǎn)生激光。不過愛因斯坦并沒有想到利用受激輻射來實(shí)現(xiàn)光的放大。因?yàn)楦鶕?jù)1898年由奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼提出的統(tǒng)計分布律，平衡態(tài)中低能級的粒子數(shù)總比高能級多，靠受激輻射來實(shí)現(xiàn)光的放大實(shí)際上是不可能的。

    在光和原子的相互作用中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收總是同時存在的。如果想獲得越來越強(qiáng)的光，也就是說產(chǎn)生越來越多的光子，就必須要使受激輻射產(chǎn)生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎樣才能做到這一點(diǎn)呢？我們知道，光子對于高低能級的原子是一視同仁的。在光子作用下，高能級原子產(chǎn)生受激輻射的機(jī)會，和低能級的原子產(chǎn)生受激吸收的機(jī)會是相同的。這樣，是否能得到光的放大就取決于高、低能級的原子數(shù)量之比。若位于高能級的原子遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于位于低能級的原子，我們就得到被高度放大的光。但是，在通常熱平衡的原子體系中，原子數(shù)目按能級的分布服從玻爾茲曼分布律。因此，位于高能級的原子數(shù)總是少于低能級的原子數(shù)。在這種情況下，為了得到光的放大，必須到非熱平衡的體系中去尋找。所謂非熱平衡體系，是指熱運(yùn)動并沒有達(dá)到平衡、整個體系不存在一個恒定溫度的原子體系。這種體系的原子數(shù)目按能級的分布不服從玻爾茲曼分布率，位于高能級上的原子數(shù)目有可能大于位于低能級上的原子數(shù)目。這種狀態(tài)稱為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。

    如何才能達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)呢？這需要利用激活媒質(zhì)。所謂激活媒質(zhì)（也稱為放大媒質(zhì)或放大介質(zhì)），就是可以使某兩個能級間呈現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)。它可以是氣體，也可以是固體或液體。用二能級的系統(tǒng)來做激活媒質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是不可能的。要想獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須使用多能級系統(tǒng)。在現(xiàn)代的激光器中，第一臺激光器紅寶石激光器是三能級系統(tǒng)，也有一些激光器采用了四能級系統(tǒng)，如釹玻璃激光器。

     雖然是西奧多·梅曼（圖片左上角）研制出了第一臺激光器，但是還有許多人也取得了成績，包括（順時針從梅曼起）蘇聯(lián)人尼古拉巴索夫（Nikolai Basov），美國發(fā)明家戈登·古爾德（Gordon Gould，雙人照右側(cè)），阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow），羅伯特迪克（Robert Dicke），查爾斯·湯斯（Charles Townes），貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究者，和亞歷山大·普羅霍羅夫（Aleksandr Prokhorov）。

軍用雷達(dá)與微波激射器

  自1916年愛因斯坦提出受激輻射理論后的幾十年間，雖然理論研究一直在進(jìn)行，但一直沒有人在實(shí)驗(yàn)室證實(shí)受激輻射的存在。受激輻射理論僅僅局限于討論光的散射、折射、色散和吸收等過程。直到1933年，在研究反常色散問題時才觸及到光的放大。1946年，瑞士物理學(xué)家費(fèi)利克斯·布洛赫在美國斯坦福大學(xué)研究核磁共振現(xiàn)象時，觀察到了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)信號，但他沒有注意到這點(diǎn)。1947年，美國物理學(xué)家蘭姆和雷瑟福在關(guān)于氫的精細(xì)結(jié)構(gòu)的著名論文中加有一個附注，指出通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可以期望實(shí)現(xiàn)受激輻射。1949年，法國物理學(xué)家卡斯特勒（A.Kastler）發(fā)展了光泵方法，為此他獲得了1971年諾貝爾物理獎。所謂光泵，實(shí)際上就是利用光輻射改變原子能級集居數(shù)的一種方法。他原來的目的是要建立一種用光探測磁共振的精密測量方法，沒有想到可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，更沒有想通過這一途徑進(jìn)行光的放大。他的工作為以后的固體激光器提供了重要的光抽運(yùn)手段。

  由于第二次世界大戰(zhàn)中雷達(dá)得到廣泛運(yùn)用，微波技術(shù)發(fā)展很快，微波器件充分發(fā)展，磁共振方法因而得到研究。微波波譜學(xué)發(fā)展起來了，也就為發(fā)明微波激射放大器準(zhǔn)備了充分條件。查爾斯·湯斯（C.H.Townes，1915-）是美國哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)教授。他在二戰(zhàn)期間長期在新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室研究軍用雷達(dá)。雷達(dá)的核心部分是微波振蕩器，改進(jìn)的途徑之一是把雷達(dá)的工作頻率不斷提高。雷達(dá)波長越短，發(fā)射出去的波束就越細(xì)，探測精度越高。當(dāng)時雷達(dá)的工作頻率達(dá)到10GHz，波長3厘米。美國空軍要求貝爾實(shí)驗(yàn)室研制頻率為24GHz（即波長為1.25厘米）的雷達(dá)，用于轟炸精確瞄準(zhǔn)設(shè)備，湯斯獲得這一研制任務(wù)。他通過實(shí)驗(yàn)，證實(shí)當(dāng)時難以制造出這種波長的雷達(dá)。湯斯敏銳地意識到，電磁波的波長必然還要向更短的方向發(fā)展。他轉(zhuǎn)而研究毫米波、亞毫米波的問題。那時，產(chǎn)生頻率高、波長短的電磁波，譬如厘米波，都使用相應(yīng)的金屬盒作為振蕩器的諧振腔。要想產(chǎn)生波長比厘米波更短的毫米波或亞毫米波，需要用比火柴梗還要細(xì)的金屬盒。最難的是盒子的內(nèi)壁必須打磨得十分光潔，這是當(dāng)時的工藝水平所難以達(dá)到的。因此必須從根本上找到一種產(chǎn)生高頻電磁波的新方法。

  1950年初，美國海軍研究署成立了一個由科學(xué)家和工程師組成的委員會，研究產(chǎn)生毫米波和亞毫米波的方法。1951年春，湯斯到華盛頓參加委員會召集的第二次會議。在會議期間，他構(gòu)思出第一臺微波激射器，用氨分子作為激活介質(zhì)。氨分子從束源射出后進(jìn)入聚焦電極系統(tǒng)，高能態(tài)分子受沿半徑方向向內(nèi)的聚焦力，而低能態(tài)分子受沿半徑方向向外的力，于是到達(dá)諧振腔內(nèi)的分子都是高能態(tài)的。讓不同頻率的電磁輻射輸入諧振腔以激發(fā)分子進(jìn)一步輻射，當(dāng)調(diào)速管的頻率調(diào)到分子躍遷頻率時，就會觀察到發(fā)射譜線。到1953年底，湯斯和同事們終于制成第一臺微波激射器，命名為Maser（脈塞），又稱為微波量子放大器，功率僅有10毫瓦，共振頻率為23.87GHz（波長1.25cm）。蘇聯(lián)的巴索夫和普羅霍洛夫獨(dú)立進(jìn)行類似的研究工作，也研制出一臺微波激射器。湯斯、巴索夫和普羅霍洛夫三人一起獲得了1964年諾貝爾物理學(xué)獎。在某種意義上，微波激射器離激光器只有一步之遙，因?yàn)樗鼈冞\(yùn)用了幾乎相同的科學(xué)原理，只不過是產(chǎn)生的光（電磁波）頻率，波長不同罷了。

  這時珀賽爾和龐德在哈佛大學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，不過信號太弱，人們無法加以利用。1955年，蘇聯(lián)物理學(xué)家巴索夫和普羅霍洛夫提出得到Maser的受激分子的另一種可能途徑，他們指出具有三個或四個能級的原子、分子系統(tǒng)，用高頻電磁波造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在高能態(tài)和居間能態(tài)之間或居間能態(tài)與低能態(tài)之間的躍遷頻率有可能得到放大。1956年，美國科學(xué)家布羅貝爾金獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了三個能級泵浦方法，并建議能級固態(tài)Maser用Ni-Zn氟硅酸鹽和Ga-La乙基硫酸鹽。1956-1958年，三能級固體量子放大器問世，使厘米波和分米波的高靈敏度接收成為可能，并很快用于射電天文、雷達(dá)和宇宙通信的靈敏的低噪聲前置放大器。1958年12月，湯斯和他的妹夫阿瑟·肖洛，在美國物理評論雜志上發(fā)表文章，討論了諧振腔、工作物質(zhì)和抽運(yùn)方式等一系列問題，對他們所提出的在光波波段工作的量子放大器設(shè)計方案進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，預(yù)言了采用法布里-珀羅干涉儀作為開式諧振腔的選模作用，以及激光的相干性、方向性、線寬和噪聲等性質(zhì)。至此，把微波量子放大器擴(kuò)展到光波波段的理論基礎(chǔ)和技術(shù)已基本完備，激光器這個現(xiàn)代科技的寵兒，即將臨產(chǎn)了。

  1960年5月6日，美國休斯研究所的希奧多•梅曼（Theodore Maiman）博士，用一盞閃光燈照射一條指尖大小的紅寶石棒，使其發(fā)射出脈沖激光（波長0.6943微米）。梅曼原本的任務(wù)是為休斯公司制造一臺小型的湯斯式微波激射器，用于產(chǎn)生脈沖光源，因此他選用了紅寶石作為激發(fā)介質(zhì)。他通過把紅寶石棒放置在鋁制圓柱體里的螺旋形閃光光源中間，成功地使紅寶石棒發(fā)射出激光束。但是湯斯和同事們在此之前已經(jīng)發(fā)表了相關(guān)論文和實(shí)現(xiàn)方式。梅曼的成就經(jīng)過幾十年爭取，才被廣泛認(rèn)可（發(fā)明家Gordon Gould也奮力爭取人們認(rèn)可他在激光器發(fā)展中的作用）。激光出現(xiàn)后，得到進(jìn)一步發(fā)展。1961-1965年，激光光譜用于大氣污染分析，半導(dǎo)體激光器用于激光通信，CO2激光器用于激光熔煉、激光切割、激光鉆孔。1968-1969年，月球上設(shè)置激光反射器，地面與衛(wèi)星聯(lián)系。1982年，發(fā)明激光全息術(shù)。1980-1990年，激光外科手術(shù)、通信、光盤、激光武器等出現(xiàn)。

       神光 加工好的Φ380mm成品晶片

我國激光核聚變大事記

1964年，王淦昌提出了研究激光聚變的倡議。

1965年，上海光機(jī)所開始用高功率釹玻璃激光產(chǎn)生激光聚變的研究。

1973年5月，上海光機(jī)所建成兩臺功率達(dá)到萬兆瓦級的高功率釹玻璃行波放大激光系統(tǒng)。

1974年，上海光機(jī)所研制成功毫微秒10萬兆瓦級6路高功率釹玻璃激光系統(tǒng)，激光輸出功率提高了10倍。

1980年，王淦昌提出建造脈沖功率為1萬億瓦固體激光裝置的建議，稱為激光12號實(shí)驗(yàn)裝置。

1987年6月27日，神光I通過了國家級鑒定。

1994年，神光I退役，神光I連續(xù)運(yùn)行8年。

1994年5月18日，神光Ⅱ裝置立項，工程正式啟動。

2001年8月，神光Ⅱ裝置建成，總體性能達(dá)到國際同類裝置的先進(jìn)水平。

2007年2月4日，中物院神光Ⅲ激光裝置實(shí)驗(yàn)室工程舉行了開工奠基儀式。

   1999年6月，NIF在安裝10米直徑的靶室，這個球形真空容器由18個四英寸厚的鋁制造組裝，重量超過130噸。

美國國家點(diǎn)火裝置(NIF)

　　美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）是是與“神光”計劃一樣的工程，由位于美國加利福尼亞州舊金山的勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室研制。該計劃自1994年開工以來延期了很多次，它最終的目標(biāo)是2010年實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，并達(dá)到平衡點(diǎn)，即激光在聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的能量大于它們所消耗的能量。該計劃建造和運(yùn)行花費(fèi)超過35億美元，容納NIF裝置的建筑物長215米，寬120米，相當(dāng)于三個足球場。

  美國國家點(diǎn)火裝置的實(shí)驗(yàn)過程為：先將一束10億分之1焦耳的激光增強(qiáng)10000倍，然后將一束激光分離為48束激光，接著這些激光束被反射鏡引導(dǎo)進(jìn)入放大器（在進(jìn)入放大器之前將被總計為7689個氙閃光燈所激勵），之后經(jīng)過4次反射，通過整個設(shè)備（有3個足球場大小）后進(jìn)一步被分成192束。經(jīng)過了那些似乎沒有終點(diǎn)的管道后，這些激光的總能量將增加到原來能量的3000萬億倍，成為擁有180萬焦耳能量的脈沖紫外光（相當(dāng)于美國所有發(fā)電廠發(fā)電量的1000倍），再聚焦到直徑為3毫米的氘氚小丸上，產(chǎn)生1億度的高溫，壓力超過1000億個大氣壓，進(jìn)而引發(fā)核聚變。每束激光發(fā)射出持續(xù)大約十億分之三秒，當(dāng)這些脈沖撞擊到目標(biāo)反應(yīng)室上，它們將產(chǎn)生X光。這些Ｘ光會集中于位于反應(yīng)室中心裝滿重氫燃料的一個塑料封殼上。X光將把燃料加熱到一億度，并施加足夠的壓力使重氫核生聚變反應(yīng)。釋放的能量將是輸入能量的50-100倍。這是因?yàn)榧す庠阽R面之間來回反射，并通過3000塊磷酸鹽玻璃，其中的鈦原子會使激光束擴(kuò)大。在這種類型的反應(yīng)堆中，需要相繼點(diǎn)燃多個目標(biāo)，才能產(chǎn)生持續(xù)的熱量。據(jù)科學(xué)家估計，每個目標(biāo)的成本可控制在 0.25 美元左右，從而大大降低了核電廠的成本。利弗莫爾有850名科學(xué)家和工程師。另外大約有100名物理學(xué)家在那里設(shè)計實(shí)驗(yàn)。NIF的問題是它的激光每幾小時只能發(fā)射一次。Mercury激光的方案已經(jīng)在計劃中。它不一定比NIF更大，它的目標(biāo)是每秒鐘發(fā)射10次脈沖。

      NIF激光試驗(yàn)與靶區(qū)建設(shè)的規(guī)模相當(dāng)于3個足球場

NIF模仿NASA的主控室

激光核聚變裝置中，激光照射靶物球芯時，輻射空腔兩端的光線情況。

國際上已投入運(yùn)行的激光器和計劃建造的巨型裝置，歸納為下列兩表。

激光裝置國家及實(shí)驗(yàn)室      輸出能量  束數(shù)  建成時間

GEKKO-XII日本大阪大學(xué)ILE    15KJ/3ω   12   1983

PHEBUS法國里梅爾實(shí)驗(yàn)室     10KJ/3ω   2

VULCAN英國盧瑟福實(shí)驗(yàn)室     2KJ/3ω    8

HELEN英國原子武器中心      1KJ/1ω   1

NOVA美國里弗莫爾實(shí)驗(yàn)室     40KJ/3ω   10   1984

OMEGA美國羅徹斯特大學(xué)LLE    30KJ/3ω   60   1995

Beamlet美國里弗莫爾實(shí)驗(yàn)室    6.4KJ/3ω   1   1994

計劃建造的巨型釹玻璃激光裝置

裝置名稱國家及實(shí)驗(yàn)室   能量/波長   束數(shù)   預(yù)定進(jìn)度

NIF美國里弗莫爾     1.8MJ/3ω   192   2002

MLF法國核武器所     1.8MJ/3ω    240  2005

100-TW英國武器中心   ＞100KJ/3ω    32

日本大阪大學(xué)      ＞100KJ/3ω    尚未批準(zhǔn)

   大型KDR晶體，重量近800磅，通過新開發(fā)的快速生長過程，只需要兩個月，采用常規(guī)方法需要兩年。每個晶體切成40厘米的方形水晶板，NIF大約需要600塊。

左圖是一個鍍金的NIF黑腔，右圖是一個直徑4mm的試驗(yàn)?zāi)z囊，試驗(yàn)時這個內(nèi)部充滿氘和氚的氣體的膠囊將被塞入鍍金黑腔，接受強(qiáng)激光的輻照，一旦NIF點(diǎn)火成功，發(fā)生核聚變，就會形成強(qiáng)大的能量。

   激光將用來壓縮上圖這樣的一個豌豆大小的氘-氚粒狀物，粒狀物被封入一個稱為“hohlraum”的鍍金圓筒。然后將這個Hohlraum被安裝在直徑為3.2英尺的稱為黑體輻射空腔的靶室中央，192條激光束聚焦在Hohlraum上，并生成極強(qiáng)的X射線，在高溫和輻射的作用下，粒狀物將轉(zhuǎn)化為等離子體，且壓力不斷升高，直至發(fā)生聚變。核聚變反應(yīng)壽命很短，大約只有百萬分之一秒，但它釋放的能量是引發(fā)核聚變所需能量的50到100 倍。在這種類型的反應(yīng)堆中，需要相繼點(diǎn)燃多個目標(biāo)，才能產(chǎn)生持續(xù)的熱量。據(jù)科學(xué)家估計，每個目標(biāo)的成本可控制在 0.25 美元左右，從而大大降低了核電廠的成本。

   勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory，簡稱LLNL）創(chuàng)建于1952年，位于加州舊金山以東65公里，利弗莫爾峽谷東南端。主要從事與核武器全壽期各階段核裝置設(shè)計相關(guān)的研究試驗(yàn)工作。另外，它還從事受控核聚變、激光核聚變、激光同位素分離研究和生物醫(yī)學(xué)研究。LLNL占地254平方公里，其炸藥試驗(yàn)場占地約27平方公里。共有328幢建筑，總資產(chǎn)更置費(fèi)高達(dá)684億美元。LLNL擁有超過8000名工作人員，包括3500位科學(xué)家、工程師，年經(jīng)費(fèi)預(yù)算約16億美元。這張航拍照片右下角的建筑，即為美國國家點(diǎn)火裝置(NIF)。

   這是美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Lab）中運(yùn)的Z機(jī)器創(chuàng)造了一團(tuán)異常熾熱的電漿。這團(tuán)電漿溫度超過了20億度，使得它成為地球歷史上最熱的東西，在極短的時期內(nèi)，其溫度比恒星內(nèi)部還熱。上面圖像中，Z機(jī)器試驗(yàn)是通過聚集2000萬安培電流進(jìn)入到一個由磁場遠(yuǎn)程限制的小區(qū)域中，從而制造出了高溫。Z機(jī)器的名字是從垂直的電線而來的。在意外的強(qiáng)大的試驗(yàn)中包含了爆炸，Ｚ機(jī)器釋放的電量功率是地球總電量的80倍。Z機(jī)器試驗(yàn)有助于了解太陽耀斑的物理學(xué)原理，設(shè)計更有效率的核聚變電站，在極度熾熱狀態(tài)下測試材料，以及為計算機(jī)模擬核爆炸收集數(shù)據(jù)。

   俄羅斯核武器研究機(jī)構(gòu)——位于薩羅夫-阿爾扎馬斯的“俄羅斯科學(xué)院實(shí)驗(yàn)物理研究所”（英文簡寫VNIIEF）激光物理研究室，1989年研制的用于激光核聚變研究的火星-5具有120ТВт輸出，圖為高能激光真空靶室安裝。高能激光同樣可用于核武器理論研究。參見：薩羅夫-阿爾扎馬斯16 揭開俄羅斯神秘核武器研制基地的面紗（三）

   兆焦耳激光器（Laser Megajoule，簡稱LMJ），位于法國阿基坦大區(qū)勒巴爾普市的CESTA實(shí)驗(yàn)室，是歐洲最強(qiáng)大的激光器。1996年6月，法國與美國簽署了一項加強(qiáng)兩國核合作的協(xié)議。美國同意與法國共享超級計算機(jī)模擬核試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)，并幫助法國建造兆焦耳激光裝置（LMJ）。LMJ是一個類似于美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）的慣性約束聚變裝置，由法國原子能委員會（CEA）軍事應(yīng)用局設(shè)計。

   2004年6月，中國工程物理研究院激光聚變研究中心，等離子體物理國家級實(shí)驗(yàn)室，建成200TW（1太瓦=10億千瓦）超高功率鈦寶石激光裝置（SILEX-I）。該裝置激光脈沖寬度30fs（1飛秒=1千萬億分之一秒），激光波長800nm，激光輸出功率200TW，最高可達(dá)286TW，該功率比全球發(fā)電總功率還要高一個量級；在激光脈沖光譜和光束時空特性控制方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

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