亞?普羅霍羅夫(1916-2002)是一位物理學(xué)家，與巴索夫一起奠定了量子光學(xué)的基礎(chǔ)。
簡介
蘇聯(lián)物理學(xué)家，他于澳大利亞阿瑟頓的一個(gè)蘇聯(lián)家庭出生，1922年回到蘇聯(lián)，逝世于俄羅斯莫斯科，1964年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。自1969年，他曾擔(dān)任《蘇聯(lián)大百科全書》（第三版）的主編。他們的研究成果對發(fā)展量子電子學(xué)作出了杰出貢獻(xiàn)，因在量子電子學(xué)方面的基礎(chǔ)研究導(dǎo)致了微波激射器和激光器的發(fā)展，因而獲1964度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
——微波激射器和激光器的發(fā)明
1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一半授予美國馬薩諸塞州劍橋的麻省理工學(xué)院的查爾斯·湯斯（Charles H.Townes，1915—），另一半授予蘇聯(lián)莫斯科蘇聯(lián)科學(xué)院列別捷夫物理研究所的巴索夫（Nikolay G.Basov，1922—）和普羅霍羅夫（Aleksandr M.Prokhorov，1916—），以表彰他們從事量子光學(xué)方面的基礎(chǔ)工作，這些工作導(dǎo)致了基于微波激射器和激光原理制成的振蕩器和放大器。
激光器的發(fā)明是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)有劃時(shí)代意義的一項(xiàng)成就。從60年代一開始，激光理論、激光器件、激光應(yīng)用各方面的研究廣泛開展，各種激光器如雨后春筍一般涌現(xiàn)。幾十年來，激光科學(xué)成果累累，已成為影響人類社會(huì)文明的又一重要因素。
量子電子學(xué)
量子電子學(xué)是無線電電子學(xué)和光學(xué)的結(jié)合點(diǎn)，更與量子物理學(xué)和原子物理學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)。馬克斯·普朗克的能量子假說和阿爾伯特·愛因斯坦的光量子理論為量子光學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。特別是愛因斯坦1916年對輻射理論的分析，為激光提供了理論基礎(chǔ)。而20世紀(jì)40年代雷達(dá)的發(fā)展促進(jìn)了微波技術(shù)應(yīng)用于微波與分子的相互作用的研究。查爾斯·湯斯正是期望從這一研究中取得分子、原子和核結(jié)構(gòu)的各種信息，探索出一條通過原子和分子諧振在極短波段實(shí)現(xiàn)相干振蕩器和放大器的途徑。
湯斯研究歷程
湯斯1915年7月28日出生于美國南卡羅來納州的格林維爾（Greenville），十五歲高中畢業(yè)后進(jìn)入格林維爾的佛曼（Furman）大學(xué)，他不但物理學(xué)得很好，還對語言科學(xué)有特殊的興趣。1935年19歲就以優(yōu)異的成績獲得了物理和語言學(xué)兩科的學(xué)位。他在很多方面都得到了發(fā)展，曾是博物館的講解員和校刊記者，參加游泳隊(duì)、足球隊(duì)。1936年在杜克（Duke）大學(xué)獲物理學(xué)碩士學(xué)位，1939年在加州理工學(xué)院獲博士學(xué)位，研究的題目是有關(guān)同位素分離和核自旋的問題。
查爾斯·湯斯從1933年進(jìn)入貝爾實(shí)驗(yàn)室，一直到1947年都在技術(shù)部工作。二次大戰(zhàn)期間，他致力于雷達(dá)轟炸瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，并取得了很多與技術(shù)有關(guān)的專利，因此，他對微波等技術(shù)比較熟悉。當(dāng)時(shí)，人們力圖提高雷達(dá)的工作頻率以改善測量精度。美國空軍要求他所在的貝爾實(shí)驗(yàn)室研制頻率為24000MHz的雷達(dá)，實(shí)驗(yàn)室又把這個(gè)任務(wù)交給了查爾斯·湯斯。
湯斯對這項(xiàng)工作有自己的看法，他認(rèn)為這樣高的頻率對雷達(dá)是不適宜的，因?yàn)檫@一頻率的輻射極易被大氣中的水蒸汽吸收，因此雷達(dá)信號無法在空間傳播。但是美國空軍當(dāng)局堅(jiān)持要他做下去。結(jié)果儀器做出來了，軍事上毫無價(jià)值，卻成了查爾斯·湯斯手中極為有利的實(shí)驗(yàn)裝置，這臺(tái)儀器達(dá)到當(dāng)時(shí)從未有過的高頻率和高分辨率，湯斯從此對微波波譜學(xué)產(chǎn)生了興趣，成了這方面的專家。他研究的是微波和分子之間的相互作用。
這時(shí)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)①，不過信號太弱，人們無法加以利用。當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是放大的必要條件。查爾斯·湯斯認(rèn)為，并不是不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，而是沒有辦法放大。他一直在苦思這個(gè)問題。他設(shè)想如果將介質(zhì)置于諧振腔內(nèi)，利用振蕩和反饋，也許可以放大。湯斯很熟悉無線電工程，所以別人沒有想到的，他先想到了。
1951年春的一天，湯斯正在華盛頓哥倫比亞特區(qū)參加一個(gè)毫米波會(huì)議，他和肖洛（A.L.Schawlow）同住一個(gè)房間。后來肖洛是湯斯的重要合作者。湯斯起身很早，為了不打擾肖洛，他出去在公園旁的長凳上坐下，思考是什么原因無法制成毫米波發(fā)生器。他需要找到一種制作體形極小而又精致的諧振器的方法。這種諧振器具有可以與電磁場耦合的某種能量。他想，如果能找到這樣的材料，它一定也是象分子之類的東西，要做出這樣小的諧振器并供給能量該會(huì)遇到多么大的技術(shù)困難！看來真正的希望在于找到一種利用分子的方法。也許正是早晨新鮮的空氣使湯斯突然看清了這個(gè)方案的可行性。幾分鐘內(nèi)湯斯就草擬好了方案，并計(jì)算出把分子束系統(tǒng)的高能態(tài)從低能態(tài)分開，并使之饋入腔中的條件。他還考慮到腔中應(yīng)充有電磁輻射以便激發(fā)分子進(jìn)一步輻射，從而提供了反饋，保持持續(xù)振蕩。
查爾斯·湯斯在會(huì)上沒有透露任何想法，他立即返回哥倫比亞，把他的研究組成員召集攏來，開始按他的新方案進(jìn)行工作。這個(gè)組的成員有博士后齊格爾（H.J.Zeiger）和博士生本·戈登（J.P.Gordon）。后來齊格爾離開哥倫比亞，由中國學(xué)生王天眷接替。湯斯選擇氨分子作為激活介質(zhì)。這是因?yàn)樗麖睦碚撋项A(yù)見到，氨分子的錐形結(jié)構(gòu)中有一對能級可以實(shí)現(xiàn)受激輻射，躍遷頻率為23870MHz。氨分子還有一個(gè)特性，就是在電場作用下，可以感應(yīng)產(chǎn)生電偶極矩。氨的分子光譜早在1934年即有人用微波方法作出了透徹研究。1946年又有人對其精細(xì)結(jié)構(gòu)作了觀察，這都為查爾斯·湯斯的工作奠定了基礎(chǔ)。
湯斯小組歷經(jīng)兩年的試驗(yàn)，終于在1953年制成了第一臺(tái)微波激射器，取名為“微波激射放大器”（Microwave Amplification byStimulated Emission of Radiation），簡稱MASER（微波激射器）。
與此同時(shí)，還有幾個(gè)科學(xué)集體在嘗試實(shí)現(xiàn)微波的放大。其中在蘇聯(lián)有莫斯科的列別捷夫物理研究所普洛霍洛夫和巴索夫的小組，他們一直在研究分子轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)光譜，探索利用微波波譜方法建立頻率和時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。他們認(rèn)定，只要人為地改變能級的集居數(shù)就可以大大增加波譜儀的靈敏度，并且預(yù)言，利用受激輻射有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。他們也用非均勻電場使不同能態(tài)的分子分離，不過他們的裝置比湯斯小組的晚了幾個(gè)月才運(yùn)轉(zhuǎn)。
普羅霍羅夫研究歷程
普羅霍羅夫1916年7月11日出生于澳大利亞昆士蘭州艾瑟頓一個(gè)流亡的俄國革命工人家庭里，1923年回到祖國蘇聯(lián)。從小學(xué)到大學(xué)，他的學(xué)習(xí)成績始終名列前茅。1939年以優(yōu)異成績畢業(yè)于圣彼得堡大學(xué)物理系，同年進(jìn)入蘇聯(lián)科學(xué)院列別捷夫研究所振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室當(dāng)研究生。1941年—1944年戰(zhàn)爭期間在作戰(zhàn)部隊(duì)服役，負(fù)傷后復(fù)員回到列別捷夫研究所，繼續(xù)從事研究工作。1960年，普羅霍羅夫當(dāng)選為蘇聯(lián)科學(xué)院通訊院士，1966年當(dāng)選為院士。1968年他被任命為列別捷夫物理研究所副所長。普羅霍羅夫由于研制分子振蕩器與他的同事巴索夫一起獲得列寧獎(jiǎng)金，他還由于在亞毫米波波譜學(xué)方面的工作獲得蘇聯(lián)國家獎(jiǎng)。他被授予社會(huì)主義勞動(dòng)英雄稱號，曾四次獲列寧勛章。
普羅霍羅夫在他當(dāng)研究生的1944年—1950年間，就建立了關(guān)于電子管振蕩器中的頻率穩(wěn)定性理論，首次獲得同步加速器中電子的超高額相干輻射，并開始了氣體波譜學(xué)的研究。就在這些研究中，他萌發(fā)了研制分子振蕩器的想法。
普羅霍羅夫所依據(jù)的原理是物質(zhì)中電子的受激發(fā)射效應(yīng)。實(shí)際上就是阿爾伯特·愛因斯坦早在1916年就提出的受激輻射概念。設(shè)有兩個(gè)能級，其能量分別為E1及E2，若上能級粒子數(shù)密度大于下能級粒子數(shù)密度，就形成了
波同頻率、同方向、同偏振，因而就使入射電磁波得到放大。一個(gè)能放大的系統(tǒng)，如果適當(dāng)加大正反饋，就能形成振蕩。這就是量子放大與量子振蕩的基本原理。
1952年5月普羅霍羅夫和他的合作者巴索夫在全蘇波譜學(xué)會(huì)議上提出了獲得量子放大與振蕩的可能性的報(bào)告。接著，在1954年10月出版的蘇聯(lián)《實(shí)驗(yàn)與理論物理》雜志上，他們發(fā)表的論文提出了一個(gè)具體方案。選用分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級，不同的轉(zhuǎn)動(dòng)能級其電偶極矩也不同。具有電偶極矩的分子束在不均勻電場中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所以處于不同轉(zhuǎn)動(dòng)能級的分子偏轉(zhuǎn)程度有所不同。這樣就可以把它們分開，使處于上能級的分子進(jìn)入實(shí)驗(yàn)區(qū)。這樣就人為地造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)微波的放大和振蕩。他們對氟化銫（CsF）分子兩基態(tài)之間的躍遷進(jìn)行理論估算，在《蘇聯(lián)科學(xué)院報(bào)告》上發(fā)表了“分子放大與振蕩理論”的論文，應(yīng)用量子力學(xué)進(jìn)行理論分析。普羅霍羅夫與巴索夫和查爾斯·湯斯與肖洛在大約相同的時(shí)間內(nèi)對微波激射器作出了開創(chuàng)性的工作。兩組人思路基本相同，湯斯和肖洛首先在實(shí)驗(yàn)上獲得成功，而普羅霍羅夫和巴索夫則首先奠定了理論基礎(chǔ)。
氨分子激射器作為第一個(gè)量子光學(xué)器件，有其重要的歷史意義。它制成后不久，就被做成氨分子鐘，作為時(shí)間和頻率的基準(zhǔn)。但由分子束或氣體制成的微波激射器波段有限，濃度低，功率小。還有待于繼續(xù)發(fā)展。
后來普羅霍羅夫把氨分子激射器的工作波長減小到亞毫米量級，把頻率提高了一兩個(gè)量級。從1955年起，普羅霍羅夫又把注意力轉(zhuǎn)向順磁共振微波激射器，他在幾年內(nèi)研究了一系列順磁晶體的順磁共振與弛豫特性，并于1958年獲得了微波激射。
1958年普羅霍羅夫和查爾斯·湯斯分別發(fā)表文章，指出光學(xué)中使用的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具可用作從亞毫米波直到可見光波段的諧振腔。與微波諧振腔相比，這是一種開放式的腔。兩塊具有高反射率的半透鏡對面放置，其間隔遠(yuǎn)大于波長。但入射電磁波從垂直于鏡面的方向射入腔中后，在兩鏡面間來回反射，形成駐波，起著諧振腔的作用。在他們的理論指導(dǎo)下，兩年后就發(fā)明了激光器。
巴索夫1922年12月14日出生于俄羅斯的烏斯曼，父親是一位大學(xué)教授。巴索夫于1941年在優(yōu)龍涅什中學(xué)畢業(yè)。蘇德戰(zhàn)爭中在部隊(duì)服役。1946年進(jìn)入莫斯科機(jī)械學(xué)院，1950年畢業(yè)。從1948年起，巴索夫就在蘇聯(lián)科學(xué)院列別捷夫物理研究所振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室任實(shí)驗(yàn)員，大學(xué)畢業(yè)后繼續(xù)在該研究所工作，并升任工程師，1956年獲得博士學(xué)位，1963年，任該所新建立的量子電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任，兼莫斯科工程物理學(xué)院（原莫斯科機(jī)械學(xué)院）教授。普羅霍羅夫與巴索夫聯(lián)名發(fā)表的兩篇有關(guān)微波激射器的開創(chuàng)性論文，第一作者都是巴索夫，第二作者是普羅霍羅夫。可見，巴索夫在這項(xiàng)有歷史意義的工作中起了何等的作用。當(dāng)時(shí)巴索夫還未取得博士學(xué)位。
巴索夫又一項(xiàng)重要的科學(xué)貢獻(xiàn)是對半導(dǎo)體激光器的研究。早在第一臺(tái)激光器問世以前，巴索夫在1959年就提出了半導(dǎo)體激光器的方案。在半導(dǎo)體上加上足夠強(qiáng)的脈沖電場，在強(qiáng)電場作用下，大量原子通過碰撞而被電離，導(dǎo)帶中的電子數(shù)及價(jià)帶中的空穴數(shù)均急劇增多。當(dāng)電場撤去后，在一定條件下，可以產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。1961年，巴索夫又提出p-n結(jié)注入式激光器的原理，發(fā)表于蘇聯(lián)《實(shí)驗(yàn)與理論物理》雜志上。他還導(dǎo)出了產(chǎn)生受激發(fā)射的條件。據(jù)此，好幾個(gè)研究組在1962年先后制成了半導(dǎo)體激光器。巴索夫用砷化鎵（GaAs）在77K下獲得近紅外光的受激輻射。這種類型的激光器后來得到不斷的完善，改進(jìn)了結(jié)構(gòu)，降低了閾值電流，提高了效率，壓縮了激光線寬，特別是使其能在室溫下工作。到了70年代后期，已逐漸形成了在應(yīng)用上大發(fā)展的局面。成為當(dāng)前應(yīng)用最廣的一種半導(dǎo)體激光器。
巴索夫倡導(dǎo)激光引發(fā)熱核聚變，在1962年蘇聯(lián)科學(xué)院主席團(tuán)會(huì)議上，以及在1963年巴黎國際量子光學(xué)大會(huì)上，他都提出了這個(gè)建議。他一方面研制大功率的激光器和研究靶技術(shù)；另一方面深入了解產(chǎn)生這種效應(yīng)的物理?xiàng)l件。1968年，實(shí)現(xiàn)了用強(qiáng)激光照射氘化鋰（LiD）靶，首次發(fā)現(xiàn)從靶中產(chǎn)生出了中子。
巴索夫還致力于尋求新的原理與途徑以產(chǎn)生大功率激光。從1962年起，他和他的合作者在化學(xué)激光器方面進(jìn)行了深入研究，制成大功率脈沖和連續(xù)的氟化氫化學(xué)激光器、大功率納秒脈沖光解離碘激光器、用電離的新型高氣壓氣體激光器和準(zhǔn)分子激光器。他們在信息的光學(xué)處理方法、激光穩(wěn)頻、激光頻標(biāo)、激光誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)、金屬表面的激光涂層與固化等方面都有重要工作。在非線性光學(xué)方面，產(chǎn)生激波的爆發(fā)性化學(xué)激光器方面，巴索夫都起到了先驅(qū)者的作用。
參考資料 >