主题：纪念激光发明50年曁NB颁奖季节讨论NB奖 -- nua
中国激光玻璃研究进展
姜中宏, 杨中民,登中国科学院上海光学精密机械研究所,
国外大型激光核聚变装置研究进展
自1961 年E. Snit zer[ 1] 发明激光玻璃以来, 已
经在掺钕、掺铒、掺镱、掺铥、掺钬的多组分玻璃或石
英光纤中实现了激光输出。2005 年俄罗斯科学家
E. Dianov 等[ 2] 首次实现了掺铋离子的石英光纤的
激光输出。
迄今为止, 作为块体激光玻璃, 钕玻璃在激光核
聚变能装置中得到了最为广泛的应用, 作为纤维状
激光材料, 掺铒石英光纤在光通信上得到了最广泛
的应用。2010 年5 月29 日美国能源部劳伦斯利弗
莫尔( LLNL) 国家实验室宣布历时12 年、花费40 亿
美元的世界最大的激光装置国家点火装置
( NIF) 建成, 将于2011 年开展实验工作, 预计在
2012 年实现点火目标。法国也建有同样规模的实
验装置, 计划于近年建成。这两座装置由192 束钕
玻璃激光聚焦产生1015 W 的高功率最终实现点火。
美国NIF 装置比世界第二大的罗彻斯特大学的欧
米伽装置的功率大60 倍。俄罗斯正在建造一座火
星6 号激光聚变装置, 计划使用128 束钕玻璃激光,
2014 年建成。我国神光III 后也计划建造更高功率
的激光装置。
2 中国激光玻璃研制的回顾
我国的激光玻璃的研制在1962 年中期由干福熹
提出, 姜中宏具体负责进行激光玻璃的研制工作。其
历程可简单概括为: 1962 年开展玻璃成分及12 种稀
土氧化物玻璃光谱工作。1963 年4 月27 日采用王之
江设计的球形装置, 用3 cm 钕玻璃棒, 经汤星里测定
首次出现1064 nm 的激光, 1963 年底输出1 J 的激光
能量。1964 年成立中国科学院上海光学精密机械研
究所( 简称上海光机所) 。1964 年原定红宝石激光输
出的指标为100 J, 但到年中红宝石激光输出仍不能
突破10 J, 当时李明哲副所长决定与玻璃室另组突击
队, 由姜中宏、蔡英时、李锡善、沈冠群、李成富组成,
在10 月获得107 J 的激光输出, 当即决定采用钕玻璃
主攻1000 J 激光输出任务, 并组织中国科学院长春光
学精密机械研究所、上海光机所和新沪玻璃厂提供大
尺寸激光玻璃。经过王之江、沈冠群改进激光装置,
年底完成了1000 J 输出任务。1965 年钕玻璃输出达
到1 % 104 J( 当时美国最高输出为7000 J) 。
文化大革命期间, 在王之江主持下, 大能量装置
的激光输出超过3 % 105 J, 当时在新沪玻璃厂生产
的钕玻璃棒长度达到5 m, 直径超过25 cm, 都是世
界最大的。但因为激光亮度无法提高, 最后由王之
江提出, 经钱学森同意, 停止大能量激光钕玻璃的研
制工作。与此同时, 由邓锡铭、余文炎负责的高功率
激光取得突破, 继打出中子( 109 W) 后激光功率提
高的工作进展顺利, 因此决定将大能量工作与大功
率工作合并, 钕玻璃的研制也从硅酸盐激光玻璃进
入磷酸盐激光玻璃。
1980 年后, 中国科学院上海光机所建成了我国
最大的激光驱动器, 时任国务院副总理兼国防部长
张爱萍亲笔为该装置题名为 神光!, 上海光机所根
据装置使用要求, 进行了磷酸盐玻璃的脱水、除铂金
工艺试验取得成功。与此同时, 蒋亚丝进行了氟磷
掺钕玻璃的研制工作。
20 世纪90 年代为了适应神光装置的升级要
求, 上海光机所研制成功了与HOYA 的LHG8 性
能相当的N31 钕玻璃和一批非线性折射率较低、受
激发射截面较高的磷酸盐激光钕玻璃, 改进了除水、
除铂工艺, 形成了二步法、半连续熔炼工艺, 并开始
了连续熔炼工艺试验。半连续熔炼制备的钕玻璃产
品达到国外同类产品水平, 提供给有关装置使用, 并
获得了国家科技进步二等奖二次、中国科学院一等
奖一次、上海市科技进步一、二等奖各一次。
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CCHERE不欢迎全文ZT,这些文章本来应该免费对公众开放,但是没有,我才出此下策.
ZT也尽量择本人认为有趣的--主要是TG早期的和国际上比较而言先进的贴一下,同时不可避免有政治倾向性.
这里说到了一个颇让人吃惊的事情--"1959年在美国汤斯实验室工作的王天眷回国, 带来了美国从事微波量子放大器的信息, 引起京区科学界的重视". 1959年还有海归,TG那时已经是饥荒时代了;而且还是在美国汤斯实验室工作过的.
这让我想起了几个星期前看到的一张TOWNES和GORDON站在第二台MASER前的合影.
在这张照片里除了TOWNES和GORDON以外还有一个亚洲人的站在后侧的设备前,估计也是在摆拍.当时就有疑问:这是谁呀?
这张照片其实是很少见的---有关MASER和TOWNES的最常见的照片是这张,
估计是同一时间拍的,但是没有后侧的亚洲人.很多解说是说TOWNES和GORDON在第一台MASER前的合影.
根据TOWNES自己写的"HOW THE LASER HAPPENED"一书里的图解,其实这台MASER是第二台,而第一台已经在6个月前制造出来了.但是如何才能确定他的频率的单色相干性呢?这不象LASER用一个干涉仪就可以测定.因此需要用第二台MASER来做相干测量频率的单频性.频率的单频稳定性好就说明是分子的受激辐射,才能充分肯定MASER的价值.这单频稳定性也是LASER的重要表现,也是当初MAIMAN第一个激光发表在NATURE上文章来证明是LASER运转的证据, 而不是我们现在常见的一个很亮的光斑就代表激光.
TOWNES在制造这第二台MASER时主要要测量两台MASER频率的单频稳定性,因此需要一个对微波电子仪器很在行的人.TOWNES在他的书里就提到了这个学生王天眷.
实际上,TOWNES在造出第一台MASER之后近一年并没有太多人重视这结果,直到他验证了MASER的频率稳定性质后才有很多人加入MASER的研究,包括后来的BLOOMBERGEN创造的3能级固体MASER---这也导致更多的人加入到MASER的研究,造就了MASER代表"MEANS OF ACQUIRING SUPPORT for EXPENSIVE RESEARCH"的MASER热.这里面就有HUGHES的小型红宝石MASER项目,也导致了MAIMAN能够成就黑马做出世界第一个LASER,而且也是3能级的结构,只是这回是光学跃迁了.这MASER热当初造就了如此大的泡沫---可比这近十年来的纳米热, 当初导致著名的PHYSICAL REVIEW在60年开始拒绝再发表有关MASER的文章---这也是历史上第一回,同时也导致MAIMAN的世界第一个激光的出生文章被PHYSICAL REVIEW LETTERS当成是MASER给拒绝了.
最新的考古发现是AIP的照片就是采用了有王天眷的第一张,并且有解释王天眷是站在第一台MASER前面摆拍呢!
Charles Townes and James Gordon with their second MASER device, 1955. The structure in the middle of the box focused energetic ammonia molecules into the little box on the left, a cavity that emitted a beam of microwave radiation. In the background T.C. Wang stands beside the first maser.
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看了长知识
王天眷先生部分代表作
1、分子微波振荡器（量子振荡器）和高分辨的波谱仪（英文）[Science
120,780(1954)]。
2、以量子振荡器观察氨之超精细结构的新颖方法（英文），美[Rev.Sci.Instr
26,1148(1955)],（合作者K.Shimoda）。
3、量子放大器理论的进一步探索（英文），[Phys.Rev.102,1308(1956)],（合作
者K.Shimoda C.H.Tomnes）。
4、量子放大器噪音的测量（英文）。[Phys.Rev.107,1450(1957)],（合作者
C.H.Townes等）。
1964年，诺贝尔物理学奖的一半授予美国麻省理工学院的汤斯（Charles H.Townes），另一半则授予前苏联莫斯科苏联科学院列别捷夫物理研究所的巴索夫（Nikolay G.Basov）和
普罗霍罗夫（Aleksandr M.Prokhorov），以表彰他们从事量子电子学方面的基础工作，这些工作导致了基于微波激射器和激光原理制成的振荡器和放大器。
有谁知道当年诺贝尔物理学奖的背后，有一位黄岩人为此作出了重要贡献。他是当时汤斯研究组的重要成员，由于他的合作参与，导致了20世纪科学技术有划时代意义的重要成就
之一激光器的发明。正因为如此，汤斯在获得诺贝尔奖后立即电告他，让他分享荣誉与快乐，并对当年他所作的愉快合作表示感谢。1979年，当他率团访美时，汤斯亲自开车迎送，热
情接待，足见他们的学术情谊之深。
他就是著名物理学家王天眷。
[IMG]
这张照片使我们99.9%确认TOWNES和MASER的照片里的亚洲人就是王天眷.
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今天刚收到TOWNES写的"HOW THE LASER HAPPENED"一书
匆匆读过,居然在GOOGLE网上图书截去的"LASER专利官司"的重要一段113页读到TOWNES在发明MASER后由于MASER成了科学界的热点,很多做MASER的公司都要付给TOWNES专利费,结果他每年收入多达两万五千美金---相当于他年薪的三倍.他说其中他给参与第一个MASER的博士后HERB ZEIGER$1千,也给了王天眷$1千---因为王的工作让MASER的频率稳定特性表现出来了.
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
TOWNES回忆录里记录了MASER发明的艰难过程
由于TOWNES本人不是分子束的专家,制作分子束的MASER实在有点门槛.于是哥大的巨人们从系主任到NB奖得主都对TOWNES的MASER责难有加.其中对TOWNES本人的当面指责也就罢了--TOWNES毕竟是拿了终生教授职位的。
还要对他的学生说出这样难听的话---你的两年青春真是浪费在这轻浮的项目上了.
原来哥大的RABBI,KUSCH都认为MASER/LASER是没有科学意义的东西,在一些正统科学家看来—发明不是科学,发现才是科学.发明是被科学家用的。因此MASER和LASER是没有科学意义的东西.这也导致他们,甚至TOWNES本人对LASER没有对光谱的发现更有兴趣,TOWNES做MASER也是为了得到更高分辨率的光谱.
而LASER的红爸爸GORDON GOULD却对LASER的追求和梦想远远超过TOWNES,甚至象今天的GATES一样,GOULD在确定LASER应该可以做出来后就依然放弃了导师系主任NB奖得主给的论文题目和奖学金,没有得到博士学位就加入到TRG发明激光的创世纪工作中去---虽然导师系主任NB奖得主认为这里面科学的成分很少.
可能因为Zeiger受到的迫害，TOWNES深感不安，在MASER成为科学界的热点后，把每年的专利费收入的$1K给了ZEIGER和为验证MASER稳定频率的王天眷。
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结果最新考古是王天眷在哥大读博士学位时已经有二十多年党龄的老牌共党分子.还在国军重要的无线电雷达部门长期工作.
“不安分”的学生
王天眷是辛亥革命烈士王卓的遗腹子。王卓（1890－1911），字楚材，黄岩宁溪人。17岁入浙江陆军小学，参加进步组织襄义社，后进
南京陆军第四中学，加入同盟会浙江分会。1911年3月广州起义失败后作歌述怀：“险莫险于东方东，哀莫哀于同盟同，危莫危乎中国之
中。”同年10月武昌起义，王卓联合同学游说新军，谋划从清统治者手里夺取南京，不料清廷察觉，将新军调出城外。时武昌形势吃紧，王卓
组织百余学生军赴鄂，星夜渡江到汉口，上岸即与清军交火，沿江迂回，激战中被流弹击中左腿，犹高呼：“一时强弱视乎力，千古胜负系于
义，力可穷而义不可没，吾为义死，可以无憾。”言未尽，又一弹中其要害，坠河而殉，年仅２２岁。民国元年，革命军总司令黄兴追赠为学
生决胜团团长。也就是在这年的4月20日，王天眷降临人间。
王天眷自幼聪慧，母郑氏以是得教养之乐，而暂亡其丧夫之痛。稍长，入宁溪南渠高等小学，1925年转入乌岩小学，次年秋考入黄岩县立
中学校（即现在的黄岩中学），与后为国民党空军中将的许思濂同学。年青时的王天眷继承其父的遗传因子，心中荡漾着爱国主义的精神，追
求民主和进步。1929年至1932年在上海交通大学预科学习，毕业后转入电机系就学。1932年4月加入中国共产党，并积极参与上海大、中学联
抗日救国运动，曾任交通大学党支部书记和共青团上海市法南区委宣传部长，被校方开除。期间曾先后4次被捕，经陈果夫等保释出狱。
1933年秋进入浙江大学。次年秋王天眷与陈芳允一起考入北平清华大学物理系。期间积极参加一二九学生运动，并被选为清华大学学生救
国委员会委员。在清华大学纪念九一八事变发生5周年之时，王天眷为会场书写一联：“万里河山竟变色，五年岁月不待人。”爱国之情，溢
于言表。1936年12月重新加入中国共产党，1938年在清华大学（1938年与北大、南开合组搬迁入滇称西南联合大学）物理系毕业并留校任无线
电研究所助教。
勤奋成就非凡
提起抗日战争期间的西南联合大学，人们总会肃然起敬。冯友兰撰写的《国立西南联合大学纪念碑》言：“联合大学之始终，岂非一代之
盛事，旷百世而难遇者哉！” 美国弗吉尼亚大学历史系教授约翰依色雷尔说：“西南联大是中国历史上最有意思的一所大学，在最艰苦的条件下，保存了最完美的教育方式，培养出
了最优秀的人才，最值得人们研究。”正是在如此的环境熏陶下，他如沐春风，打下了扎实的学术根基。
1942年王天眷任重庆大学机电系讲师。1943年保留中共地下党员的身份，调入国民党政府航空委员会下属的空军通信学校，先后任教官、编辑科长、教授科长、研究委员等职，曾
一度到贵州都匀举办无线电训练班，造就一批为抗战服务的通讯人才。抗战胜利后，航空委员会派他到广州接收雷达工厂，日本人将所有雷达破坏一空，他严辞谴责，日本人只好将损
毁的雷达一一修好移交。正因为他是革命烈士的遗孤，蒋介石、周至柔（临海人，空军司令）对他均很为器重。1947年10月被中华文化教育基金会选派为出国研究员，1948年在美国俄
亥俄州立大学获理学硕士学位，1954年获哥伦比亚大学哲学博士学位，同年任哥伦比亚大学辐射研究所高级研究员，1957年至1959年任立脱公司高等物理研究员。
王天眷牢记出国留学的目的就是学成回来报效祖国。因此，他刻苦治学，几乎到了废寝忘食的地步。在哥伦比亚大学攻读博士和任辐射研究所高级研究员期间，参加了汤斯教授领
导的微波受激发射（Maser）理论与实验的研究。该项研究结果成为光受激发射（Laser）理论的先导，并最终导致激光的发明，开创了激光的新时代。为此，汤斯获1964年诺贝尔物理
学奖。作为汤斯研究集体的成员，王天眷以其深厚的物理基础和优良的实验技术参与了该项目的理论和实验工作，为首台氨微波激射器的研制成功做出了贡献。在从事核四极共振研究
中，发明了一种讯号反馈振荡检波电路，该电路具有灵敏度高、噪声低、电路简化等优点，为同行专家一致公认和采用，被称为“王氏电路”。他首次用实验证实了电16极矩的存在。
矢志不渝的选择
科学没有国界，科学家却有自己的祖国。新中国成立后不久，王天眷就开始筹划回国。但当时的美国政府却扣留了他的护照，经过多年的斗争和一些科学家的帮助，于1959年8月离
开美国，在游历西欧，并在1959年9月至1960年2月担任法国科学研究中心顾问作短暂停留后，绕道奥地利、匈牙利和前苏联等国，历尽周折，于1960年2月举家返国，投身社会主义祖国
的科学事业。
1960年至1981年，王天眷历任中国科学院武汉物理研究所研究员、研究室主任、副所长和所长等职务。
1981年调中国科学院物理研究所任研究员、博士生导师，不顾年迈，为培养人才尽心尽责，直至1989年与世
长辞。回国后，王天眷致力于开拓和发展我国波谱学研究事业，培养和造就了一大批波谱学研究骨干。他秉
性耿直，直言不讳，在“文革”期间曾遭受不公正的待遇，科研工作被迫中断。然而他忠诚祖国科学事业矢
志不渝，在粉碎“四人帮”后不久便挑起了领导研究所的重担。由于我国国防和现代化建设的需要，他积极
领衔发展原子钟事业，指导研制成功氢激射器（氢钟）和铷激射器（铷钟），受到中共中央、国务院和中央
军委的通令表彰，并于1985年获国家科技进步一等奖、国防科委一等奖。
十年动乱结束后，王天眷才受到党和政府的应有重视。他曾任湖北省人大常委，全国政协委员。中国物
理学会波谱专业委员会（现对国外名称为中国磁共振学会）主任委员、中国计量测试学会时间频率专业委员
会主任委员、中国电子学会量子电子学和光电子学专业委员会主任委员、波谱与原子分子物理国家重点实验
室首届学术委员会主任委员等一连串闪光的头衔就是对这位杰出的物理学家最好的肯定。
“工作着是美丽的”，王天眷把自己的毕生献给了“美丽”的科学事业。在取得了一系列世界一流的科
研成果之后，他放弃了美国优越的科研和生活条件，毅然回到了他贫穷落后的祖国，回到他梦牵魂绕的故
乡。他虽然没有获得诺贝尔奖，也没有被选为中国科学院院士，但他始终无怨无悔。他的事业和精神都是不
朽的。为了永久地纪念他，并以他的精神鼓舞青年科学家， 1993年通过社会各界集资成立了王天眷基金会。
前面讲到激光的英文名字,LASER,是激光爸爸GORDON GOULD在1957年起的.
LASER (Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation) 的第一次被人类使用的历史资料.
GORDON GOULD作为激光之父可以说倾注了毕生的精力,他为追求自由和理想遭受的迫害和歧视在美国和世界人类历史上不算是太稀松的事情. 这种追求自由和理想的精神才是世界文明精神的精髓,使得美国和世界进步国家青春和创造力长在.这里楼主先返回到LASER发明前的半场回顾GORDON GOULD的辉煌而悲壮的人生.
1940年20岁出头的GORDON GOULD --- 那个苦难年代能摆拍下国际象棋照片的一看上去就是富家子弟
GORDON GOULD出身纽约市的富裕家庭,父亲是出版界的总编辑.虽然父母是虔诚的教徒,他从小就反叛性格十足,上大学时就和第一任老婆一起参加了共产主义学习班,思想上参加了革命---这一经历象魔鬼一样折腾了他几乎一辈子.
饱经风霜的65岁的GORDON GOULD
GORDON GOULD并且立志做爱迪生一样改变人类文明的发明家,他上大学时学习普通无机化学时听到金刚石和石墨都是碳原子堆积而成,他就自己设计实验想从石墨做金刚石.其实后来居然有人也用激光形成的等离子体来合成金刚石---冥冥之中也许是激光的用途确实广泛,也许是GOULD本人充满了幻想. 不过这其中激光和产生金刚石的等离子体的物理道理有都是互通的,就是能够达到的最高温度. GOULD 也是后来和TOWNES讨论了之后才意识到LASER的巨大作用---这和MAIMAN 发明RUBY激光时选取的闪光灯有同样的物理原理背景.
GOULD石墨变金刚石的异想天开的试验失败后他决定去继续学习深造,于是40年代初去了YALE大学学习光学专业.学习过程中碰到二战爆发,他于是想逃避帝国主义的战争. 他问
YALE的教授如何才能逃兵役. 教授给了他一封信要他把信亲手送到纽约市的一个地址,然后要那里的人收留他也许能免除他的兵役---听起来这情形就象是共党间谍的接头, 要知道那时候学校里面进步人士很多的.
GORDON到了那才知道这是政府的一个秘密组织,进去的能免兵役,但都是受过专业科技训练的人并且要接受政治审查.他刚混进去没几个月很快他的共产主义学习班经历被查出来了,他被踢出来了--不过好象这时候战争已经快结束了,他也通过这半年多的经历逃了兵役.后来原子弹爆炸了,他才知道这就是大名鼎鼎的原子弹"曼哈顿"计划的人材招聘站.
GORDON于是又回到YALE大学完成了他的光学硕士学位---这个经历给了他很多基础的光学知识,使得他日后能对激光的发明能有特别的见解和兴趣.
他回到了纽约大都市后生活有些放荡不羁---是酒吧娱乐场所的常客,花销也大,他于是在纽约市里大学找了份半职教书的工作.
他仍然想继续他的学业以便以后可以发明创造改变人类.于是他在50年的时候上了COLUMBIA大学去攻读物理博士学位.