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史上第一道雷射光:梅曼誕辰 │ 科學史上的今天:07/11

就是那道光!一九五○年代,包括貝爾實驗室等各路人馬競相研發雷射,卻始終難以突破;沒想到最後殺出重圍的,竟是製造飛機的休斯公司旗下實驗室的一名工程師。1960 年 5 月 16 日,物理博士梅曼率(Theodore H. Maiman, 1927-2007)先射出人類史上第一道雷射光。

雷射的原理最早是由愛因斯坦在 1917 年的論文中所提出,基本上就是利用光子激發原子或分子輻射出波長、相位都一模一樣(同調)的光子,然後這兩個光子又激發出更多光子,如此持續倍增而產生能量極強又集中的光束。此所以雷射原來的全名叫做「受激輻射造成的光增強(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, 簡稱 LASER)」。

但這畢竟只是理論,實務上如何做出來又是另一回事。經過許多物理學家提供實驗與理論上的貢獻,直到 1953 年,美國物理學家湯斯(Charles H. Townes)才成功做出邁射(MASER),可以發射放大集中的微波束。五年後,他再偕同蕭洛(Arthur L. Schawlow)發表論文,根據邁射的工作原理提出打造雷射的建議方案,這也成為大家研發的指導方針。但梅曼採取的是完全不同的進路。

不同於大家選擇氣體做為激發介質,梅曼採用的是紅寶石(當然不是昂貴的天然紅寶石,而是用人工合成的);而且另闢蹊徑使用閃光燈以脈衝的方式照射,而非大家一貫地持續不斷輸入能量。他在紅寶石表面鍍上一層銀作為反射鏡,紅寶石晶體內的鉻原子受到強光激發後輻射出光子,這些光子在紅寶石兩端的反射鏡來回反射,又激發出更多同調光子,如此不斷倍增;其中部分光子從半反射鏡那一端穿透而出,就是雷射光。

梅曼於當年八月在《自然》(Nature)科學期刊發表論文,只用了 240 個字,就跟他的方法一樣簡明。在此鑽研已久的科學家們都難以置信,如法炮製後才恍然大悟,深受啟發,很快地開發出不同材料的固態雷射,以及半導體雷射、染料雷射、……等等不同的雷射方式。而今雷射已經普遍應用於各個領域:科學研究(1969 年就用來測量月亮的距離)、醫療(如眼睛手術、皮膚美容)、工業(如切割、焊接)、軍事、建築等等,日常生活中更是到處有它的蹤跡,例如超市掃描條碼、雷射印表機、DVD/藍光播放器、光纖網路、……等等。

1964 年,湯斯與同樣在雷射做出先驅性研究的蘇聯物理學家巴索夫(Nikolay Basov)、普羅霍羅夫(Alexander Prokhorov, 他的生日也是這一天)三人共同獲頒諾貝爾物理獎,而率先發明雷射的梅曼卻始終未獲青睞。但這無礙於他受到各界的肯定;在他的追悼會上,湯斯如此推崇他那篇猶如暮鼓晨鐘的論文:「以平均每個字而言,應該是《自然》過去百年以來最具份量的論文。」

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。