教育家查爾斯·湯斯是微波激射器（Maser）的主要發明者和激光器（Laser）的先驅者之一，與前蘇聯（現俄羅斯）物理學家和微波波譜學家巴索夫以及普羅霍羅夫分享1964年諾貝爾物理學獎，還與多人共享“激光之父”之美譽。激光技術是20世紀人類的重大技術發明之一，為了紀念湯斯教授逝世1周年并寄托筆者的深情哀思，特撰寫出此長文。筆者在此全面介紹了湯斯教授的生平與家庭成員；主要學術成就與貢獻；與中國的淵源以及所獲雅稱、獎項與榮銜，重點梳理出激光技術波瀾壯闊發展歷程的整個脈絡和概貌，還順便簡介了并非激光器的半導體發光二極管（LED）的發展概況，簡明扼要地闡述了諾貝爾自然科學獎中與激光技術密切相關的有關情況。
[關鍵詞]查爾斯·湯斯；能級（能態）；躍遷；受激輻射；微波波譜學；核磁共振；拉比樹；粒子數反轉；微波激射器（Maser）；量子電子學；工作物質（增益介質）；泵浦源；光泵浦；光諧振腔；激光（Laser）；紅寶石激光器；激光技術；光纖通信（光通信）；網絡；全息攝影術；精密測量；激光冷卻技術；玻色—愛因斯坦凝聚態（BEC）；發光二極管（LED）；發明專利；諾貝爾自然科學獎
[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.05.167
2.5 粒子數反轉
一般情況下，粒子數反轉（population inversion，又譯為集居數反轉、居量反轉、群數反轉）是產生Maser/Laser的先決條件。兩能級間受激輻射概率與兩能級粒子數差有關。通常情況下，處于熱平衡不同能級的粒子服從玻爾茲曼分布，即處于低能級E1的粒子數大于處于高能級E2的粒子數，這種分布是粒子數的正常分布，只能得到普通光。為了得到激光，就必須使用電、光及其他方法對工作物質進行激勵，設法把處于基態的粒子大量激發到亞穩態，使得高能級E2上的粒子數大大超過低能級E1上的粒子數，在受激輻射作用下，工作物質就能對某一特定波長的光輻射產生放大作用（即光放大）。這樣就可在高能級E2和低能級E1之間實現粒子數的反轉分布。
科學家們通過對原子能級系統的深入研究，發現能夠實現粒子數反轉的能級系統幾乎全部可歸納為3能級系統3ELS（three energy levels system）和4能級系統4ELS（four energy levels system）兩類。在3能級系統中，E0是基態能級，E1是亞穩態能級，E2是激發態泵浦高能級，在E1和E0之間產生激光。其主要特征是激光的低能級是基態，發光過程中低能級的粒子數會一直保持有相當的數量，粒子數反轉的效率較低。在4能級系統中，E0是基態能級，E1是激發態能級，E2是亞穩態能級，E3是激發態泵浦高能級，在E2和E1之間產生激光。因激光的低能級是一個激發態，常溫下基本上是空的，其激勵能量要比3能級系統小得多，更容易獲得激光。
前蘇聯物理學家法布里坎特（Valentin Aleksandrovich Fabrikant，1907.10.09—1991.03.03）是粒子數反轉這一重要物理思想的首倡者和踐行者。他在討論氣體放電的發光機理時，分析了由負吸收產生光放大的可能性，以及由此所引起的光強度增加和方向性的問題。他根據拉登堡發現的吸收系數、愛因斯坦A/B系數和粒子數分布的關系指出：要使輻射通過介質不但不衰減而且還要放大的話，就必須實現粒子數反轉[1]，為此他用氦（He）的388.9 nm譜線激勵銫（Cs）原子，觀察到原子能級的粒子數反轉現象。1940年他在博士論文中首先提出了產生粒子數反轉的實現方法，這一獨到見解是從愛因斯坦受激輻射理論向構思激光器技術原理邁出的極為重要的一步，因為它指明了產生激光的最重要條件。
1947年4月拉姆（又譯為蘭姆，Willis Eugene Lamb，Jr.，1913.07.12—2008.05.15，1955PH21）和美國物理學家雷瑟福（Robert Curtis Retherford，1912—1981）通過波譜學實驗方法發現氫原子的亞穩態及其光譜線不是單一的黑線，而是由一些不連續的非常接近的譜線系列組成，后來人們把氫原子光譜的這種雙線結構稱為拉姆位移（Lamb shift）。在他倆發表關于氫原子光譜精細結構的著名論文的一個附注中指出通過粒子數反轉可以期望實現感應輻射（induced emission），即受激輻射。[2～3]他倆的興趣只是在氫原子的精細結構方面，并沒有把負吸收和自持振蕩聯系起來，僅是在論文中添加一個附注而已，故將此說成是受激輻射的第一個實證是不妥當的。1950年拉姆明確提出氣體放電中的電子碰撞可以改變粒子的集居數。
粒子數反轉這一思想至關重要，然而當時在人們的心目中，認為這是不可思議的。因為在熱平衡條件下，低能級粒子數總是比高能級粒子數多，實現粒子數反轉就必須破壞熱平衡，故粒子數反轉思想當時并未引起人們的重視。
1948年珀塞爾有意識地研究了磁場中各子能級的集居數。1950年珀塞爾和美國物理學家龐德（Robert Vivian Pound，1919.05.16加拿大安大略省—2010.04.12）利用微波波譜學的方法研究氟化鋰（LiF）晶體中原子核磁矩構成的順磁體系，為了更進一步地弄清楚磁共振信號的來源和增強微波信號，他倆特意采用突然反向靜磁場法。當外磁場極性改變比核自旋—晶格弛豫時間短得多時，出現了鋰原子（Li7）核自旋體系集居數的反轉，發生了負吸收現象，意外地觀察到頻率為50 kHz的受激輻射。這是受激輻射首次直接被實驗所證實，也直接給出了受激輻射發生的前提是要實現粒子數反轉。為了解釋這種現象，珀塞爾和龐德首先提出“負溫度”（negative temperature）概念，并把粒子數反轉稱為“負溫度”狀態。[4]負溫度不是表示比絕對零度還低的溫度，而是描述從零到正無窮的開氏溫標所不能描述的狀態。
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