1、1激光之父：1964 年诺贝尔物理学奖得主汤斯博士摘要美国实验和理论物理学家、发明家和教育家查尔斯?汤斯是微波激射器（Maser）的主要发明者和激光器（Laser）的先驱者之一，与前苏联（现俄罗斯）物理学家和微波波谱学家巴索夫以及普罗霍罗夫分享 1964 年诺贝尔物理学奖，还与多人共享“激光之父”之美誉。激光技术是 20 世纪人类的重大技术发明之一，为了纪念汤斯教授逝世 1 周年并寄托笔者的深情哀思，特撰写出此长文。笔者在此全面介绍了汤斯教授的生平与家庭成员；主要学术成就与贡献；与中国的渊源以及所获雅称、奖项与荣衔，重点梳理出激光技术波澜壮阔发展历程的整个脉络和概貌，还顺便简介了并非激光器的半
2、导体发光二极管（LED）的发展概况，简明扼要地阐述了诺贝尔自然科学奖中与激光技术密切相关的有关情况。关键词查尔斯?汤斯；能级（能态） ；跃迁；受激辐射；微波波谱学；核磁共振；拉比树；粒子数反转；微波激射器（Maser） ；量子电子学；工作物质（增益介质） ；泵浦源；光泵浦；光谐振腔；激光（Laser） ；红宝石激光器；激光技术；光纤通信（光通信） ；网络；全息摄影术；精密测量；激光冷却技术；玻色爱因斯坦凝聚态（BEC） ；发光二极管（LED） ；发明专利；诺贝尔自然科学奖 3 激光的发明专利权之争 专利（patent）作为一个法律上的概念，源自英文“letters 2patent”，意指由英国
3、国王亲自签署的带有御玺印鉴的独占权利权证书。由于这种证书的内容是国王授予某人对某项技术享有的独占权，同时这种证书没有封口，任何人都可以打开观看，即证书中的内容是公开的，故“垄断”和“公开”是专利制度的两个最基本特征。现主要分为发明专利、实用新型专利和工业设计专利 3 种类型。 1474 年威尼斯共和国首先建立了近代意义上的专利法规，规定有新发明的发明人需报知共和国政府，由政府认可其发明权，以防他人窃用。1790 年 4 月 10 日美国首部专利法促进实用技术进步法案（An Act to promote the Progress of Useful Arts）由乔治?华盛顿总统签署颁布，同年 7
4、 月 31 日总统签署颁发了美国历史上的首个专利，它授予发明家塞缪尔?霍普金斯（Samuel Hopkins，1743.12.091818） ，他改进了碳酸钾和钾肥的制造工艺。1802 年美国专利局（Patent Office，时隶属于国务院）成立，1975 年更名为美国专利和商标局USPTO/PTO（The United States Patent and Trademark Office，现隶属于商务部，其总部设在弗吉尼亚州亚历山大市） 。现行美国专利法 1952年 7 月 19 日由杜鲁门总统签署颁布，翌年元旦起生效；1999 年 11 月 29日克林顿总统签署颁布美国发明人保护法AIP
5、A（American Inventors Protection Act） ，其中多项重要条款直接被列入现行专利法；2011 年 9 月 16 日奥巴马总统签署对专利法进行全面修订的美国发明法案AIA（Leahy-Smith America Invents Act，2013 年 3 月 16 日起全面生效） 。美国专利法对专利保护期的规定：发明专利：1995 年 6 月 8 日3（不含）以前申请并授权的专利，自授权日起 17 年届满，此后则为自申请日起 20 年届满。设计专利：自授权日起 14 年届满。专利保护期最多可申请延长 5 年。 1980 年经国务院批准成立中国专利局，1998 年更名为
6、国家知识产权局 SIPO（Chinas State Intellectual Property Office） 。 中华人民共和国专利法于 1985 年 4 月 1 日开始实施，最新修订版 2008 年 12 月 27日由胡锦涛主席签署发布，2009 年 10 月 1 日起生效实施。中国专利法对专利保护期的规定：自申请日起，发明专利权期为 20 年，实用新型专利权和外观设计专利权期均为 10 年。自 1994 年起，中国加入世界知识产权组织 WIPO/法语缩写 OMPI（World Intellectual Property Organization，1970 年 4 月 26 日正式成立，1
7、974 年 12 月 17 日起成为联合国专门机构，其总部设在日内瓦）的专利合作条约PCT（Patent Cooperation Treaty，1970 年 6 月 19 日签订，1978 年 1 月 24 日起生效，美国是其缔约创始国） 。 1950 年代初，尽管微波激射器才刚刚兴起，但已有人开始考虑在比微波波长更短的范围内实现量子放大。1951 年 6 月 18 日法布里坎特等人曾向前苏联邮电部提交过一份利用汞蒸气放电得到光放大的发明专利申请书（专利编号：123209，发明者证书编号：576749/26，1959 年获得批准） ，其主要内容是“电磁波辐射（紫外光、可见光、红外光和无线电）放
8、大的一种方法，其特点是被放大的辐射通过一种介质，用其他方法和辅助辐射使相当于激发态的高能级上的原子、其他粒子或系统的浓度增大而超过平衡态的浓度。 ” 41943 年古尔德获耶鲁大学物理学（光学和光谱学方向）理学硕士学位，1949 年他来到哥伦比亚大学攻读光学和微波波谱学方面的博士学位（19491954 年在纽约市立大学兼职助教） ，其博导是物理系主任库什（1955PH22）而不是汤斯，读博期间他在库什手下做铊原子束共振实验（目的是精确测定铊的电子磁矩并和钾的电子磁矩做比较） ，起初采用热学或放电方法激发铊原子，多年来都未见成效，1955 年拉比教授从国外带回了法国光泵浦（当时只限于无线电和微波
9、波段）新进展的消息，古尔德对此产生浓厚兴趣。1957 年古尔德产生了用光泵浦法实现粒子数反转的想法并首先完成可见光波段的光泵浦实验，他设计出用法布里珀罗干涉仪镜片做成的谐振腔，此设想与不久后肖洛和汤斯的构思不谋而合，可以说是异曲同工。古尔德将自己的设想详尽地记录在笔记本上，其设计手稿至少系统地描述了有关光放大器（即后来的激光器）5 个方面的内容：激光原理：激光是物质分子受与其频率相同的能量激发而振荡、放大并聚合成短波的光辐射。这部分内容后反映在肖洛和汤斯的专利 US2929922 中。激光器原理及其内部结构：制作一个长圆筒形光谐振腔，两端设置反射镜，其中一端设有泄光孔（涉及布鲁斯特角窗，其目的
10、在于降低反射损耗） 。往谐振腔内放入工作物质，通过光泵浦电子，激发工作物质的原子振荡、放大并聚合，然后物质光粒子从泄光孔射出窄幅强烈光束。谐振腔部分后演化为专利 US4746201。最早提出 Q 开关技术，可使激光超强脉冲聚合，以产生巨脉冲高能激光。即赫尔沃斯的专利 US3928815（因古尔德坚持自己的优先权而导致该专利延迟很长时间才被批准） 。首倡采用气态物质作为激光介质。这部分内容后反映在专5利 US4704583 中（此时相关专利 US3149290 的保护期已届满） 。设计出光学（气态）加注放大器（又称光学加注振荡器，即光泵浦气体放大器） ，即专利 US4053845（此时相关专利
11、US2929922 的保护期刚好已届满） 。上述内容构成了激光器的雏形。同年 10 月汤斯请古尔德到其办公室询问了有关铊原子灯的新进展，从而他意识到汤斯正在进行类似工作而引起警觉。为此 11 月 13 日古尔德来到纽约市布朗克斯区住所附近的一家糖果杂货店，请店主作为公证人将其设计手稿（共 9 页，汤斯及另一位同行此前在此手稿上作为见证人已签字）公证签封（手续费 5 美元） 。库什不同意以激光研究代替原来“原子束共振”的博士论文，1958 年 3 月古尔德愤而离开哥伦比亚大学并放弃攻读博士学位，来到私人 TRG 公司古尔德于 1967 年离开，19671973 年任布鲁克林理工学院（现纽约大学理
12、工学院）教授，19731985 年任职于光通信（Optelecom）公司工作继续从事激光研究。131959 年 4 月 6 日他提出的一系列激光专利申请（包括 56 项专利要求，其中要点有：提出许多活性材料及其激励方法，详细探讨了钠蒸气激光器，类似于肖洛和汤斯的钾蒸气激光器，但古尔德采用的是以电子放电为基础的新激励方法；详细探讨了原子碰撞激励法并由此提出实现氦氖激光器的可能性；设计出独特的光谐振腔；采用克尔盒作调制器，首倡 Q 开关技术；详细描述了谐振和非谐振的光放大器结构；设想出激光器将来的多种用途，这部分内容后反映在专利 US4161436 中。此申请书原文长约 140 页，1968 年才
13、允许公布于世4）被拒，1962 年 TRG 公司研发出光泵浦氦铯激光器5，因性能差而没有什么实用价值。 激光的专利权之争历时近 30 年，漫长而曲6折，是专利权争夺战中最著名的经典案例。古尔德主要因以下原因而导致其激光专利申请和诉讼屡屡受阻：未正式发表其激光理论。对专利法缺乏了解：他咨询的青年律师很不专业，亦无经验，误导他应将其设想付诸实践才能申请专利，这就为后来的激光专利权之争埋下了导火索。政治和保密方面的原因：1944 年 3 月至 1945 年 1 月他为哈曼顿计划工作，因曾加入过美国共产党（1919 年 9 月 1 日成立，1944 年 5 月解散，另立非党组织共产主义政治协会，194
14、5 年重建）而被曼哈顿计划解雇。1959 年初 TRG 公司利用古尔德 1958 年 12 月修订后的第二份设计手稿申请到国防部高级研究计划局 DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）资助 99.9 万美元（申请资金只有 30 万美元）的“激光用于雷达、测距和通信系统”课题，因国防部对此课题研究人员要进行保密政审，古尔德因曾经的美国共产党党员身份而被禁止直接参与该课题的研究，只能当挂名顾问。受早期激光专利拥有者、激光制造商和应用商大机构（如贝尔实验室、休斯研究实验室、西屋电气公司和通用汽车公司等）的阻击。诉讼初期，古尔德（1962 首次为
15、国家专利局的“专利抵触程序”出庭作证）阵营处处被动，屡屡败北，1968 年才获得其第 1 个美国激光专利6，但影响很小。1970 年古尔德以 1000 美元现金外加未来专利收益的 10%从对激光业务兴趣不大的控制数据公司手中买回自己的专利权（主要是第二份设计手稿） 。因资金窘迫，1974 年古尔德与纽约里法克技术发展公司（Refac Technology Development Corp.，即现在所谓的风险投资公司）签署协议（专利费收益对半分配） ，让里法克全权代理其激光专利申请和诉讼事宜，专利局把他的激光专利申请分7拆为 6 项（表 1 中的 4 项和另外 2 种类型的激光应用） 。经不懈努
16、力，1977 年古尔德终于获得其第 1 个有影响的美国激光专利（即 US4053845） ，1979 年古尔德及其出资者共同组建 Patlex 公司（古尔德只占 20%的股份），主要进行有关激光发明专利权的诉讼和洽谈专利费的收取事宜。古尔德团队步步为营，以通用光子公司和控制激光公司为突破口，最终在激光发明专利权的争夺战中赢得部分胜利，他总计共获得 48 项激光发明专利（其中有影响的美国专利 4 项） 。 主要因激光方面的发明而入选美国国家发明家名人堂（NIHF）的美国发明专利见表 1。 注 1：美国国家发明家名人堂 NIHF（National Inventors Hall of Fame）：1
17、973 年由时任专利法协会全国理事会（National Council of Patent Law Associations，现称 National Council of Intellectual Property Law Associations）主席的马修斯先生（H.Hume Mathews）倡议创办，次年由美国专利局（现 USPTO）接手，其总部设在俄亥俄州北坎顿市（North Canton） ，堂址原设在俄亥俄州阿克伦市（Akron） ，2008 年起迁至 USPTO 总部所在地弗吉尼亚州亚历山大市（Alexandria city） 。入选者不限国籍，已故发明家可入选，但入选者名下必须
18、拥有美国专利（极个别很早就逝世者除外） 。1973 年首届唯一入选者是著名发明家爱迪生US0223898，1880.01.27/1879.11.04，电灯（electric lamp），瑞典工业化学家、国际实业家和诺贝尔奖创始人阿尔弗雷德?诺贝尔US0078317，1868.05.26，黄色安全炸药（dynamite，即达纳炸药）于 1998 年入选。出生最早者是 2006 年入选的美国钟表匠、工程师8和企业家约翰?菲奇（John Fitch，1743.01.211798.07.02） ，他是美国蒸汽轮船（1787.08.22）的发明者。最早入选的女性是 1991 年入选的美国生物化学家和药理
19、学家伊莱昂（1988PM32，US2884667，1959.05.05/1955.06.20，抗白血病药物 2-amino-6-mercaptopurine） 。截至 2015 年年底，获此荣誉者共计 516 人，其中女性 28 人。 注 2：1958 年肖洛和汤斯决定将自己的理论分析写成论文（即红外区和光激射器 ）并申请发明专利，贝尔实验室专利办公室负责人竟然认为光对通信不会有什么重要性，也不涉及贝尔实验室的利益，故起初拒绝，后在肖洛和汤斯的坚持下才同意提出申请，该专利的核心内容是采用光谐振腔来实现光放大和光泵浦（当时的一项新兴技术） 。 注 3：该专利的优先权日是 1961 年 4 月 1
20、3 日。优先权日是指专利权人首次提出专利申请的日期，包括他/她在其他专利合作条约缔约国对同一专利提出的申请。 注 4：该专利申请公开了光放大器装置及其应用，一种光放大器采用光泵浦实现粒子数反转，另一种光放大器采用与其他粒子碰撞实现粒子数反转。该产品覆盖各种激光的应用，包括制造高温、蒸发材料、机械加工、测距、通信系统、电视、激光影印机、激光核聚变和其他光化学应用，甚至已考虑到用于产生 X 射线。 注 5：布鲁斯特角（又称偏振角）是指自然光经电介质界面反射后，反射光为线偏振光所应满足的条件。1815 年首先由苏格兰物理学家、数学家、天文学家和历史学家布鲁斯特（Sir David 9Brewster
21、，KH，PRSE，FRS，FSA，FSSA，MICE，1781.12.111868.02.10）发现。 注 6：为纪念美国国际商业机器公司 IBM（International Business Machines，成立于 1911 年 6 月 16 日）创建 100 周年，美国著名 IT 网站eWeek 于 2011 年评选出 IBM 公司百年来十大高科技创新发明（均获美国发明专利） ，该专利（US4784135）名列第五（按时间先后排序） ，它是日后激光眼科手术的基础。1980 年美国籍印度裔化学家和物理学家斯瑞瓦萨利用紫外准分子激光发明光解剥离 APD（ablative photo-deco
22、mposition）技术，从而成为准分子激光原位角膜磨镶术LASIK（Laser-assisted in situ keratomileusis，俗称激光眼科手术或激光视力矫正）的先驱。LASIK 是一种通过准分子激光改变眼角膜的弧度，以校正近视和散光的手术，这种手术方法于 1995 年获得美国食品药品监督管理局（FDA）的批准。目前 LASIK 采用的主要是 ArF 气体准分子激光（193 nm） 。美国 LaserSight 公司旅美台湾物理学家林瑞腾（Jui-Teng Lin）在其美国专利中首次提出以 213 nm 固体激光替代有毒气体ArF 准分子激光：US5520679，采用非接触扫
23、描激光的眼科手术方法（Ophthalmic surgery method using non-contact scanning laser） ，申请日：1994.03.25，公开日：1996.05.28。 4 激光之父汤斯的主要学术成就与贡献 汤斯教授是 Maser 的主要发明者和 Laser 的先驱者之一，高分辨率微波波谱学（可用于详细考察分子和原子核的结构）的创始人和量子电子学的奠基者之一，将 Maser/Laser 技术应用于天文探测的先驱，因对10星际分子方面的开创性研究而成为分子天文学（molecular astronomy，按照国内现在的规范称呼，这门学科被称为分子天体物理学）的开
24、拓者。文中前后已述及的内容在此不赘述。汤斯的研究领域还涉及原子钟、相对论、非线性光学效应和射电天文学（射电天体物理学）等，在应用干涉调频技术进行红外波段的高角度分辨率（high angular resolution）天文学研究方面作出较大贡献。78晚年醉心于红外天文学（红外天体物理学）的研究以及探索科学与宗教的融合。汤斯的科研原创精神和领导组织能力得到世界科技界的广泛认可和赞赏。 有据可查的汤斯最早发表的学术论文是 1938 年的无油脂真空管 。91940 年代末，核四极矩 NQM（nuclear quadrupole moment）研究是当时的一个热门课题，汤斯报道了大量的核四极矩耦合常数并
25、以分子光谱理论予以解释。1948 年初他和贝尔实验室同事巴丁合作发表分子中核四极矩效应计算方面的论文10，1949 年他和哥伦比亚大学化学系同事戴利（Benjamin P.Dailey）首创 NQR 方面的汤斯戴利理论（Townes-Dailey theory） ，给出了分子超精细效应的解释。11同年美国物理学家沃尔特?奈特（Walter David Knight，1919.10.142000.06.28）发现了金属磁共振中的奈特位移（Knight shift）机制12，汤斯指出该位移可能是来自导电电子的顺磁影响，根据其理论计算出来的顺磁效应果然与实验结果相吻合。13 雷达技术涉及微波的发射和接收，其核心部件是微波振荡器。1940年代雷达技术的发展促进了微波技术应用于微波与分子相互作用的研究。“二战”期间汤斯在贝尔实验室从事雷达方面的设计研究，战后不久他
