激光之父：1964年诺贝尔物理学奖得主汤斯博士——深切缅怀汤斯教授逝世1周年(四)

朱安远

(北京金自天正智能控制股份有限公司　市场营销中心,北京　100070)

激光之父：1964年诺贝尔物理学奖得主汤斯博士

——深切缅怀汤斯教授逝世1周年(四)

朱安远

(北京金自天正智能控制股份有限公司市场营销中心,北京100070)

[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

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.14.173

2.10全息摄影术发明简史

全息摄影术(holography)又称全息照相术,是一种利用光波的干涉原理以记录被摄物体反射(或透射)光波的振幅(强度)和相位信息并使之再现的专门照相技术。通过一束参考光和被摄物体上反射的光在感光胶片上叠加产生干涉条纹而形成。为了满足光的干涉条件,通常需要采用相干性好的激光作光源,且参考光束(reference beam)和物光束(object beam)要求是从同一束激光经分束器(beam splitter)分离出来的高度相干光。感光胶片显影后成为全息图(hologram,即全息照片)。全息图不仅记录被摄物体反射光波的振幅,而且还能记录反射光波的相对相位。全息图并不直接显示物体的图像,在普通光源下看到的外观仅是干涉条纹,用一束激光或单色光在接近于参考光的方向入射,可在适当的角度上观察到原物体的立体图像(实像或虚像)。这是因为激光束在全息图的干涉条纹上衍射而重现原物体的光波,再现的图像具有三维立体感且十分清晰。因在摄制全息图时感光胶片上每一点都接收到整个物体反射的光,故全息图的一小部分就可再现整个物体。用感光乳胶厚度等于几个光波波长的感光胶片,可在乳胶内形成干涉层,这样制成的全息图可用白光再现(广泛应用于制作防伪标识)。如果用红绿蓝3种颜色的激光分别对同一物体用厚乳胶感光胶片摄制全息图,经适当的显影处理后,在白光(太阳光或灯光)下可观察到有立体感的彩色全息图。全息摄影术还可用于微波、红外线、电子波、声波(含超声波)和X射线等。

全息图的种类繁多,有许多不同的分类方法。如反射全息图(可用白光再现)和透射全息图(除平面全息图和彩虹全息图以外,一般只能用单色光再现)、平面全息图和体全息图、同轴全息图(如盖博全息图)和离轴全息图以及振幅全息图和相位全息图等。全息摄影术主要应用于全息三维记录和显示、全息电影和电视、全息光学元件(如全息透镜、全息光栅、全息滤光片、全息扫描器和全息分束器等)、全息显微术、全息信息存储和处理、全息干涉计量(如物体微小的形变和位移计量、无损检测和场流分析等)以及军事技术等方面。全息摄影目前主要有立体全息摄影和单面全息摄影2种方式。

1933—1948年盖博任汤姆森—休斯顿公司(位于英格兰沃里克郡拉格比Rugby)研发工程师,从事提高电子显微镜分辨率(当时技术可达到的理论值是0.4 nm,实际上只能做到1.2 nm)的研究工作,受塞尔尼克在研究透镜像差时使用相干背景来显示相位(1938年)和劳伦斯·布拉格采用两次X射线衍射使晶格的像重现(1939年)的工作启发,1947年复活节(4月6日)那天,他灵机一动,完全抛弃传统的电子显微镜物镜(由若干个透镜组合而成的一个透镜组)成像原理,首先构思出一种全新的两步无透镜成像原理——波前重建(wavefront reconstruction,即波阵面重建)理论并获得英国专利：[1～2]设想用经物体衍射的电子波与相干的背景波相重叠,将物体衍射波的振幅和相位以干涉条纹的方式记录在介质(如感光胶片和全息干板等)中。在波阵面记录过程中,引入适当的相干参考光波与物光波进行干涉,用介质记录下干涉后未聚焦的电子波,得到的干涉图样即全息图。在波阵面再现过程中,用参考光照射全息图,衍射光波中包含了物光波,从而再现了原物体的三维立体图像。

盖博首创的波前重建理论为全息摄影术的诞生奠定了理论基础[3～5],1948年他利用光频很窄的高压石英汞灯(1927—1933年盖博在柏林西门子—哈尔斯克公司任研发工程师时发明)发出的可见光代替电子波,首次获得一张不太清晰但又包含所有信息的全息图及其再现像,标志着全息摄影术的正式诞生。1950年苏格兰邓迪大学学院物理学家罗杰斯(Gordon L.Rogers)进一步地丰富了波前重建理论并制作出首张相位全息图。[6]因当时无理想的相干光源,受同轴全息孪生像的干扰,成像质量很差。1952年美国籍墨西哥裔物理学家贝兹(Albert Vinicio Baez,1912.11.15—2007.03.20)将全息术思想推广到X射线领域,医学和生物学研究利用X射线全息术可把最细微的病菌分子显示出来。

1960年激光器的发明给全息摄影术带来了新的生命。激光是一种单色的高强度相干光,是制作全息图最理想的光源,借此全息摄影术才有了实质性进展并实现实用化,它的迅速发展使其成为现代光学(其进展主要集中体现在4个方面：信息光学、激光、非线性光学和光电子学)中一个十分活跃的分支。1962年密歇根大学雷达实验室的电气工程师利思(Emmett Norman Leith,1927.03.12—2005.12.23)和乌帕特尼克斯(Juris Upatnieks,1936.05.07—)将通信理论中的载频概念推广到空域,单独引入分离的斜参考光束,利用氦氖激光器发明了离轴全息术,成功地得到首张实用的激光全息图[7],这是全息摄影术的重大突破,为其发展和应用开辟了广阔前景,标志着全息摄影术已步入成熟时代。1964年他俩又提出漫射全息图的概念,利用漫射照明制作出激光透射全息图,首次得到生动逼真的三维物体的清晰立体再现像。1963年盖博在美国麦克唐纳—道格拉斯电子公司研制出一种可摄制与物体同样大小的全息摄影显示器,通过它拍摄出来的照片具有惊人的立体感,与实物的区别仅仅在于你不能用手触摸到他,故这种照片最初被称作“幽灵”。

前苏联列宁格勒瓦维洛夫国家光学研究所(Nikolai Ivanovich Vavilov State Optical Institute)物理学家丹尼苏克(Yuri Nikolaevich Denisyuk,1927.07.27—2006.05.14)成功地分析了运动源发出的光的相位共轭,1962年基于李普曼(1908PH)的驻波彩色照相法而研制出反射全息图[8],其显著优点是再现时无须激光器,只需普通白炽灯即可。在全息图的碎片能再现物体完整图像的事实启发下,1969年美国发明家本顿(Stephen Anthony Benton,1941.12.01—2003.11.09)在宝利来(Polaroid)研究实验室研制全息电视时,采用两步法首次研制成功彩虹全息图(rainbow hologram)[9],用白光可再现彩虹像,是全息摄影术历史上的重大进展。1973年美国激光物理学家克罗斯(Lloyd G.Cross)将白光透射全息摄影术和常规电影中制作三维图像技术结合起来,发明了柱面多幅合成彩虹全息图。1978年马里兰大学华裔物理学家陈选(Hsuan Chen)和杨振寰(Francis T.S.Yu,1932—)首创一步法制作彩虹全息图。[10]1980年美国科学家利用压印全息技术,将全息表面结构转移到聚酯薄膜上,成功地印制出世界上首张模压全息图。彩虹全息图是一种平面全息图,与反射全息图相比,它处理工艺简单,易于批量复制,为全息摄影术商业化迈出可喜的一步,掀起了以白光再现为主要特征的全息三维显示新高潮,它与当时发展日趋成熟的全息图模压复制技术相结合而形成了风靡全球的全息印刷产业,广泛用作于激光全息防伪标记。1983年万事达卡(MasterCard)成为首个使用全息技术防伪的银行卡。1988年10月18日奥地利发行的面值8先令邮票是世界上首枚带有全息防伪图案的邮票。

1965年美国密歇根大学物理学家罗伯特·鲍威尔(Robert L.Powell)和斯泰特森(Karl A.Stetson)首倡全息干涉计量术HI(holographic interferometry)。[11]1967年美国康达通公司(Conductron Corp.,后被并入麦克唐纳—道格拉斯电子公司)电气工程师西伯特(Larry Siebert)博士采用脉冲激光首次获得人体三维肖像全息图。1971年激光被用于全息摄像和舞台光影效果设计而进入艺术世界领域。1994年法国激光专家根特兄弟(Yves Gentet；Philippe Gentet)发明了世界上首台便携式全息俏像摄像机,有人将他们评论为“唯一真正实现全息摄影再现自然功能的人”。1999年美国斑马图像制作(Zebra Imaging)公司推出真彩色数字化大面积、大视场、大景深光聚合物反射全息图,推动了三维显示全息图的进一步发展和市场化。这种全息图将全息技术和计算机技术结合起来,形成了新的数字化和自动化像素全息图技术。

综上所述,全息摄影术发展经历过的4个阶段是：①第一阶段(萌芽期)：同轴全息,汞灯光记录和再现。光源的相干性很差,存在孪生像问题,再现像质量很差。②第二阶段(成熟期)：离轴全息,激光记录和再现。离轴全息术采用斜参考光束来形成一个均匀的相干底衬,解决了孪生像、原始像、共轭像和直流分量分离等问题,有效地克服了同轴全息术的本质缺陷。③第三阶段(快速发展期)：激光记录,白光再现。早期激光器是专用实验设备,激光记录和再现的全息图失去了色彩和色调,颜色单一。为了改变这一状况,科学家们陆续发明了白光反射全息、像面全息、彩虹全息、真彩色全息和模压全息等技术。④第四阶段(探索发展期)：白光记录(计算机制作全息图),白光再现。因激光的高度相干性,要求全息图摄制过程中的各个元器件、光源和记录介质的相对位置严格不变,对拍摄环境和光源的要求很高,此外还可能存在严重的相干噪声,给全息图的实际应用带来不便,故人们已开始探讨白光记录全息图的可能途径。

2.11激光技术在频率精密测量中的应用

频率测量在精密测量中的地位十分重要,很多物理量的准确度都期望转化为频率(时间)的测量,如今频率(时间)基准的准确度最高,已遥遥领先于其他物理量。[12]1960年代激光发明以后,科学家们就开始进行激光频率的精密测量研究。1969年约翰·霍尔领导的小组研制出甲烷(CH4)稳频氦氖激光器(3.39 μm),其波长不确定度高达10-11。[13]1972年以±3.5×10-9的相对误差测得光速c=299792456.2(1.1)m/s[14],同年美国国家标准局建立起测量甲烷稳频氦氖激光频率的光频链。

1972年亨施小组利用自己发明的饱和吸收光谱和气体放电法[15],首先测定氢原子n=2→n=3的跃迁光谱,从中消除了多普勒展宽(Doppler broadening),分辨出巴耳末Ha线系中的精细分裂和拉姆位移。[16]1974年测出Ha线系2P3/2→3D5/2分量的真空波长波数和里德伯常数R∞值,它们有效数字均达到9位。[17]1975年利用消多普勒双光子光谱学技术和饱和光谱技术精确测量出氢原子能级的拉姆位移。[18]亨施小组继续改进测量方法和手段,1987年利用双光子跃迁光谱法直接测出氢原子1S-2S的跃迁波长,其有效数字达10位[19],1992年又利用原子束与甲烷光频标法直接测量到更为精确(测量准确度提高了18倍)的氢原子1S-2S的跃迁波长和里德伯常数[20],1997年利用原子束与高准确度甲烷光频标(光钟)加双光子跃迁光谱法,将氢原子1S-2S的跃迁波长和里德伯常数的测量准确度提高到13位有效数字。[21]2000年利用光频梳技术,以巴黎天文台铯喷泉钟为基准,进一步地将氢原子1S-2S的跃迁波长、里德伯常数和拉姆位移的测量准确度提高到14位有效数字。[22]在此基础上,2004年亨施小组还精密测量出超精细结构常数α。[23]氢原子结构参数的测量已是所有原子结构参数测量中最为精密的一种。

精密光谱学家将激光频率精密控制技术和非线性光学技术应用到对超短脉冲激光场的控制,通过对飞秒超短脉冲激光在时域、频域和相位特性上同时实现精密控制和相干传递,获得频谱覆盖可见光和近红外区(0.50～1.15 μm)的稳频飞秒光学频率梳OFC(optical frequency comb,又称光学频率梳状发生器,简称光频梳或飞秒光梳),这项研究成果被认为是精密激光光谱学和计量学的一场革命。利用激光脉冲进行频率精密测量的思想最早由前苏联科学院院士契巴塔耶夫(Veniamin Pavlovich Chebotayev,1938.08.27—)和亨施教授提出。[24～25]1978年亨施小组利用锁模氩激光直接泵浦染料激光器,获得亚皮秒级脉冲并精密测定了钠原子4d态的精细结构分裂[26],这是以锁模激光器作为精密光频尺子(即光频梳)的早期实例。直到1999年亨施小组才取得根本性突破,他们利用飞秒锁模激光器首次研制成功光频梳[27],接着又解决了频率的绝对值测量问题[28],从而使得超精密光频测量技术再获重大进展,堪称光频计量学发展史上新的里程碑。2008年光频梳技术开始应用于超精密天文光谱学,并应用于全球(卫星)定位系统GPS(Global Positioning System)的轨道原子钟。

2.12激光冷却技术与玻色—爱因斯坦凝聚态(BEC)

1924年印度数学物理学家玻色(Satyendra Nath Bose,FRS,1894.01.01—1974.02.04)提出黑体辐射是全同性光子理想气体的观点,研究了光子在各能级上的分布问题,以完全不同于经典电动力学的统计方法推导出普朗克黑体辐射公式。他将论文寄给爱因斯坦,爱因斯坦马上意识到该文的重要性,亲自将其译成德文发表。[29]紧接着,爱因斯坦将玻色对光子的统计方法推广到全同性原子(单原子)或全同性分子(单分子)理想气体,并预言这类微粒在足够低的温度(此时微粒的速度足够慢且相距足够趋近)时,所有粒子就会突然“凝聚”到一种尽可能低的单一量子能态(即所有粒子具有几乎相同的波动相位),类似于在气体中形成液滴,此时它们将发生相变而成为一种新的物质形态(继固态、液态、气态和等离子体态以后的第五种物质形态)[30～31],后人称之为玻色—爱因斯坦凝聚态BEC(Bose—Einstein condensate)。BEC可看作是被宏观集居的样品原子所占有的量子态,处于这种宏观量子态的微观粒子,其总自旋一定为零或整数(即玻色子),所有粒子都处于最低的单一量子能态且具有相同的物理特征,其性质类似于单个粒子,整个凝聚体可用一个单粒子波函数来描述。理论研究表明：这种单粒子波函数在处于旋转状态时,具有量子化的现象,这种现象被称为量子涡旋(vortex)。

激光的发明为冷却和俘获(囚禁)气体原子提供了一种新方法,通过受激吸收和自发辐射光子,可减少原子的动量,以获得超低温原子[32],激光冷却的效率极高。1968年前苏联理论物理学家列托霍夫(Vladilen Stepanovich Letokhov,1939.11.10—2009.03.21)首先提出利用激光驻波场来俘获低速中性原子(即不显电性的原子)的思想并于1979年通过实验首次观测到激光减速原子效应。[33]1970年贝尔实验室实验物理学家阿斯金(Arthur Ashkin,1922.09.02—,后就职于朗讯科技,被誉为“光镊之父”)采用一束高斯型激光成功地在垂直于光的传播方向上束缚了悬浮在水中的聚苯乙烯微粒[34],这一实验将光辐射压力的应用从原子量级扩展到微米级,从而导致1986年光镊(optical tweezer,又称single-beam gradient force optical trap,即单光束梯度力光阱)的发明,这是激光原子阱(简称光阱)的首次实现[35],运用光镊可操纵生物活细胞和其他微小物体。1986年朱棣文小组首次观测到原子俘获。[36]1975年2组科学家(斯坦福大学亨施和肖洛[37]、华盛顿大学维因兰德和德默尔特[38],后者的方案优于前者)首先独立地提出利用相向激光束来冷却中性原子的建议,这是多普勒冷却的开端,标志着原子光学的诞生,它是研究中性原子与电场、磁场和光场等物质相互作用及其冷却、俘获、操控与应用的一门新兴学科。类似地可定义电子光学、光子光学、中子光学、离子光学和分子光学等。

中性原子俘获技术涉及物理学3个著名的效应：①多普勒效应(Doppler effect,又称多普勒频移)：波源与观察者(接收器)之间有相对运动时,观测到的波频率与波源发出的波频率不同的现象(两者接近接收到的频率增大,反之亦然)。1842年由奥地利数学家和物理学家多普勒(Christian Andreas Doppler,1803.11.29—1853.03.17)首先发现。②塞曼效应(Zeeman effect,属于磁光效应范畴)：置于外加磁场中的光源,因固有磁偶极矩影响,其原子和分子光谱谱线(能级)发生磁致分裂的现象,分为正常塞曼效应和反常塞曼效应(anomalous Zeeman effect)2种。1896年由塞曼(1902PH22)首先发现。③斯塔克效应(Stark effect,属于光吸收变化方面的电光效应)：置于外加电场中的光源,因固有电偶极矩影响,其原子和分子光谱谱线(能级)发生位移和分裂的现象。斯塔克效应对应于带电粒子谱线的压力增宽(即斯塔克增宽)。1913年由斯塔克(1919PH)首先发现。当谱线的分裂或位移在吸收线发生时则称为逆斯塔克效应(inverse Stark effect)。

中性原子激光冷却机制分为三大类：[39]①多普勒冷却(Doppler cooling)：利用原子运动所产生的多普勒频移来实现冷却,1978年首先被维因兰德小组所证实。[40]多普勒频移补偿方法又发展出激光扫描法、慢散射激光冷却、塞曼频移补偿法和白光(宽带)激光冷却等。②亚多普勒冷却(sub-Doppler cooling)：1988年采用飞行时间TOF(time of flight)技术测得的钠原子冷却温度只有80 μK,远低于多普勒冷却钠原子的理论极限温度240 μK。为了解释这种现象而衍生出偏度梯度冷却(polarization gradient cooling,又称西西弗斯冷却,利用光场的相位梯度)[41～42]、强度梯度感应的西西弗斯冷却(Sisyphus cooling,利用光场的强度梯度)和磁感应冷却等。③亚反冲冷却(sub-recoil cooling)：如果原子几乎是静止的,免去了吸收—发射循环,原则上就可以在稀薄原子蒸气中达到比光子反冲冷却(即亚多普勒冷却)极限还要低的温度。如速度选择相干集居俘获VSCPT(velocity-selective coherent population trapping)冷却、拉曼冷却(Raman cooling)、蒸发冷却、绝热冷却和协同冷却等。1986年科昂—塔努吉教授的学生达利巴尔(Jean Dalibard)在和MIT物理学教授普里特查德(David E.Pritchard,1941.10.15—)的私人通信中,首先提出一种有效地冷却和俘获原子的新方案——磁光阱MOT(magneto-optical trap),翌年由普里特查德和朱棣文小组在实验上首次实现。[43]

激光冷却中性原子研究的7个重要历史发展进程：[44]①1980年前苏联物理学家米纳根(Vladimir Georgievich Minogin,1950.04.04—)采用激光扫描法在1.5 K低温时实现了较显著的原子束减速。[45]②1982年美国国家标准局威廉·菲利普斯和纽约州立大学麦卡夫(Harold J.Metcalf,1940.06.11—)采用塞曼移频补偿法在100 mK低温时实现了显著的原子束减速。[46]③1985年美国国家标准局米格达尔(Alan L.Migdall)小组采用塞曼移频补偿法和磁原子阱(磁四极阱,即磁阱的首次实现)技术实现17 mK。[47]④1985年贝尔实验室朱棣文小组通过多普勒冷却中的光学粘胶(optical molasses,又译为光学粘团)技术将中性钠原子的稀薄蒸气冷却到240 μK[48],首次实现了激光冷却和俘获气体原子。这样就开始了在气室中直接冷却和俘获中性原子的历史,这是后来最终实现BEC的重要技术基础。⑤1988年美国国家标准和技术研究所利特(Paul David Lett)小组采用偏度梯度冷却法获得43 μK低温。[49]⑥1988—1990年巴黎冷却小组将亚稳态氦原子一维VSCPT冷却到2 μK[50～52],1994年二维VSCPT冷却到250 nK,1995年三维VSCPT冷却到180 nK。[53]⑦1991年朱棣文小组在原子喷泉实验中利用拉曼冷却机制将气体原子冷却到100 nK级的超低温状态。[54～56]

经多年尝试,科学家们在实现氢原子气体BEC(1998年最终由MIT科学家得以实现[57])实验受挫后,基于新的激光冷却和俘获原子技术,开始将注意力转移到利用碱金属稀薄原子气体实现BEC。美国天体物理学实验室联合研究所JILA(Joint Institute for Laboratory Astrophysics,1962年由科罗拉多大学CU和美国国家标准局NBS联合创办)埃里克·康奈尔和卡尔·维曼小组采用磁光阱和蒸发冷却混合方式,从170 nK低温开始实验,1995年6月5日当降至20 nK的极低温度时,首次直接观测到约2000个铷原子(Rb87)在蒸气中形成BEC(即通过实验近似地实现了BEC)。[58～60]稍后美国莱斯大学物理学家休利特(Randall G.Hulet,1956.04.27—)小组初步实现了锂原子(Li7)BEC[61],理论上表明锂原子数小于1400时才会形成BEC,否则BEC就会“崩塌”,故当时存在较大争议,直至1997年他们终于令人信服地实现了约1000个锂原子气体BEC。[62]1995年9月20日,MIT凯特勒小组在2 μK温度钠原子(Na23)蒸气中也独立地实现了BEC[63],他们通过聚焦在磁光阱中心的强大激光束来防止原子的丢失,得到了由50万个钠原子组成的凝聚态,且信噪比高,从而使得测量凝聚态的性质成为可能。同年5月,该小组在新设计的所谓四叶式磁阱(cloverleaf trap,其性能优于磁光阱)的基础上,进一步地使500万个钠原子形成BEC。[64]从形成BEC到实现原子激射器的关键一步是设计出BEC的输出耦合器,1996年10月该小组通过在四叶式磁阱中送入与钠原子的一对超精细能级共振的射频脉冲,钠原子BEC像水滴般地从阱中输出,发出空间分布呈月牙形的原子束脉冲状凝聚体,就如同普通激光的光子束脉冲一样,故被称为原子激射器(atom laser,直译为“原子激光器”似不妥,因为它发射的是准连续的相干原子束而不是“光”[65])。[66～67]将BEC分成独立且互相渗入的两团,在重叠区用吸收成像法可观测到高反衬度的干涉条纹,1997年证实了BEC是一种相干物质波。[68～69]1999年4月普朗克量子光学研究所慕尼黑小组研制出可连续输出超过100 ms的铷原子激射器,输出原子束的强度和动能通过调节弱耦合脉冲场来控制[70],同年在铷原子BEC中首先证实量子涡旋现象[71],2001年利用感应冷却法(sympathetic cooling)又实现了钾原子气体BEC。[72]

2002年有报道说使用激子在超出绝对温度1 K时已观察到BEC,同年德国物理学家在激光束构筑的三维能量点阵中,通过改变激光能量,首次成功地实现了BEC下铷原子气体的超流态和绝缘态的可逆转换。2003年12月16日,由NIST/JILA美国女华裔物理学家黛博拉·金(中文名金秀兰,Deborah Shiu-Lan Jin,1968.11.15—,2005年当选为美国国家科学院院士)领导的研究小组首次(近似地)实现了新的第六种物质形态——费米子凝聚态(fermionic condensate),这是将50万个钾原子(K40)降至50 nK的极低温度下才得到的。此项研究成果于2004年1月24日发表在《物理评论快报》网络版。对费米子凝聚态的研究有助于解释某些物质是如何成为超导体的,未来还将可能被应用于精密测量和量子计算等领域。2010年11月德国波恩大学应用物理研究所科学家们首次观察到光子BEC。[73]

2.13发光二极管(LED)的发展概况

人类历史上使用过的四代照明光源：①第一代是各种火光：如油灯和蜡烛等。②第二代是电阻类热辐射型发光灯：如白炽灯(1879年10月21日爱迪生试制成功碳丝白炽灯,1910年被他人改进为钨丝白炽灯)及其变种——卤素灯等。1913年美国物理化学家朗缪尔(1932CH)在玻壳中充入氩气以防止灯丝蒸发而发明了充气钨丝灯泡,因“在物理学和化学方面提高了白炽灯的性能”而荣获1937年约翰·斯科特奖章。③第三代是各种电弧或气体放电发光灯,如(节能)荧光灯(俗称日光灯)、氙气灯和高强度气体放电灯HID(high intensity dischange,如高压汞灯和高压钠灯等)等。④第四代是半导体固态芯片(晶片)新光源(被誉为新型高效节能环保型“绿色光源”),即各种LED灯。半导体照明技术是人类固体照明史上继白炽灯之后的第二次革命。1938年德国物理学家肖特基(Walter Hermann Schottky,1886.07.23—1976.03.04)发明的肖特基势垒二极管SBD(Schottky barrier diode,简称肖特基二极管)是首个广义上的发光二极管。

发光效率(简称光效)是指发光材料(工作物质)把吸收的激发能转变为光能的能力。根据不同的着重点,常用的3种表述形式是：①量子效率：发光材料发射的光子数与激发时吸收或注入的光子或电子数之比,其值可大于1。又分为内量子效率与外量子效率两种,前者是指发光材料内部发射的光子数与吸收或注入的粒子数之比,后者是指出射到发光体外部的光子数与吸收或注入的粒子数之比,显然内量子效率大于外量子效率。②功率效率：总发射光的功率与总吸收光的功率之比,其值总小于1。LED的功率效率可达80%～90 %。③流明效率(又称光度效率)：发射的光通量(其单位是流明)与激发时输入的总功率之比,它在与人眼视觉有关的应用中特别重要。普通白炽灯的流明效率一般是10～15 lm/W。

1961年德州仪器公司(Texas Instruments Inc.)电气工程师毕亚德(James R.″Bob″ Biard,1931.05.20—)和皮特曼(Gary E.Pittman)在试图研制激光隧道二极管时,“意外”地发明了GaAs红外LED(900 nm)并获得美国专利[74],这是首个现代LED专利。1962年10月9日GE电气研究实验室物理学家和发明家何伦亚克(Nick Holonyak,Jr.,1928.11.03—,被誉为“LED之父”和“红光之父”)等人采用气相外延法VPE(Vapor Phase Epitaxy)在GaAs衬底上生长出GaAs1-xPx,研制成功世界上首只实用型可见光(红色)发光二极管LED(light-emitting diode,710 nm,其光效约为0.11 lm/W,被视为“现代LED之祖”)[75],人称“魔力之光”,它是典型的冷光源(通过半导体电子跃迁以电磁辐射形式发光而不是以热能辐射形式发光,故名。普通LED灯将电能转化为光能的功率效率是30%～40%,其散热问题仍很重要。传统白炽灯的功率效率则只有5%左右)且经久耐用,将逐渐取代热光源(如白炽灯、卤素灯和节能荧光灯等)的传统通用照明市场。半导体激光二极管(LD)和LED都是采用半导体材料p-n结或异质结的注入式电致发光EL(electroluminescence,又称场致发光)原理而制成,前者是一种激光器,后者是一种将电能转化为可见光的固态半导体器件(无谐振腔),靠注入有源区的载流子自发辐射发出非相干的复合荧光。2007年爱思唯尔(Elsevier)旗下的《今日材料》(MaterialsToday,1998年创刊)月刊将“半导体激光器和LED的发明”列为全世界50年以来材料科学领域的十大科技进展之一。[76]

1962年10月德州仪器公司推出首款商用GaAs红外LED(SNX-100,870 nm),单价130美元；1963年GE公司推出首款商用磷砷化镓(GaAsP)红色LED(665 nm),单价260美元。1966年IBM托马斯·沃森研究中心鲁普雷希特和伍德尔小组运用LPE技术,用硅(Si)两性掺杂形成p-n结,研制出首个高效红外LED,其外量子效率高达6%。[77]1968年贝尔实验室洛根(Ralph A.Logan)小组研制出掺N的GaP绿色LED(550 nm,其光效仅～0.3%)[78],1971年西泽润一采用自己发明的蒸气压控制温差式LPE(这种方法在高亮度LED制作工艺中曾发挥过重要作用)GaP∶N,也开发出绿色LED(552 nm,其光效亦很低),同年夏美国RCA公司潘科夫(Jacques Isaac Pankove,1922.11.23—)小组采用MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)结构研制出电流注入式掺锌(Zn)氮化镓(GaN)蓝色LED(475 nm,未实现p型半导体,其外量子效率仅0.1%,因光效和亮度都太低而于1974年停止研究)。[79]1972年美国孟山都公司(Monsanto company)电气工程师克劳福德(M.George Craford,被誉为“黄光之父”)小组研制出掺N的GaAsP/GaP黄色LED[80],有效地提高了光效并将红色和橙红色(red-orange)LED的亮度提升1个数量级。1973年斯坦福大学马鲁斯卡(Herbert Paul Maruska)小组研制出紫色LED,它是后来蓝色LED发展的基础。[81]1976年贝尔实验室皮尔索尔(Thomas P.Pearsall)小组研制成功专用于光纤通信的高效高亮度LED,他们发明的一种新型半导体材料特别适合于光纤传输的波长。[82]1987年柯达公司研究实验室美籍华裔物理化学家邓青云(Ching Wan Tang,1947.07.23香港—,被誉为“OLED之父”,2011年获沃尔夫化学奖)和范斯莱克(Steven A.Van Slyke)利用超薄膜技术发明了有机发光二极管OLED(organic LED,其光效比普通LED低得多,但制造成本亦低很多)[83],其发光原理与普通LED一样,故又称有机电致发光OEL(organic EL),LED/OLED是第三代显示技术的代表(第一代显示技术的代表是阴极射线管CRT=cathode ray tube,第二代显示技术的代表是等离子显示板PDP=plasma display panel和液晶显示器LCD=liquid crystal display)。2012年美国《应用物理学快报》杂志创刊50周年时,其官网公布了自创刊以来被引用次数前50名的论文(含并列者共计53篇),文献[83]名列第一。1991年美国UCSB物理化学家和有机化学家艾伦·黑格(2000CH31,被誉为“有机光电子学之父”和“合成金属之父”)小组采用甲氧基异辛氧基取代的聚对苯乙烯撑(MEH-PPV)在ITO(indium-tin oxide,即氧化铟锡透明导电膜玻璃)上旋涂成膜,研制出量子效率为1%的橘红色LED[84],揭开了高分子发光二极管PLED(polymer LED,又称聚合物LED)研究的序幕,从此高分子发光器件开始成为有机电致发光领域与小分子发光器件并驾齐驱的重点研究方向。

1985年西泽润一小组研制出硒化锌(ZnSe)蓝色LED(460～480 nm)[85],1991年明尼苏达州3M公司汉斯(Michael A.Haase)小组研制出ZnSe蓝绿LED(490 nm,液氮低温下脉冲输出)[86],因其寿命短和亮度低而未能得到实用,但由此人们发现了宽禁带半导体材料在光电子领域的重要作用。1992年日本日亚化学工业株式会社(Nichia Chemical Industries Corp.)工程师中村修二采用热退火技术和掺Mg工艺成功制备出在低温缓冲层的宽能隙GaN薄膜,他采用的是自己发明的价格相对低廉的改进型MOCVD法(Tsufuro MOCVD)而不是价格昂贵的分子束外延法(MBE)来制备半导体单晶薄膜,他所发明的氮化物半导体(GaN/InN/AlN)结晶膜的生长方法是蓝色LED生产的关键性技术并获得日本专利(中村修二在4年时间内解决了材料制备工艺方面的两个重大技术难题：一是高质量GaN薄膜的生长,二是GaN空穴导电的调控)。[87]1993年10月他发明了高效明亮电流注入式双异质结InGaN/AlGaN蓝色LED(外量子效率达2.7%,蓝色LED因在材料结晶环节遇阻曾被断言“难以在20世纪实现”,故此发明被誉为“世纪发明”)[88],随后他又发明了高亮度氮化铟镓(InGaN)紫外、紫色、蓝紫、蓝色和蓝绿色LED(其光强比GaN高5倍)以及AlGaInP超高亮度橙红色LED(625 nm)、橙色LED(610 nm)和黄色LED(590 nm)。实用型蓝色LED发明后,通过三基色(三原色)RGB(red,green,blue)原理而导致高亮度节能环保型白色LED的出现,标志着LED正式进入商业照明市场,迈出了LED照明实用化至关重要的一步,具有重大的历史意义和很高的商业价值。1995年中村修二小组首次实现GaN/InGaN量子阱LED[89],1996年研制成功电脉冲泵浦InGaN/GaN多量子阱紫光LD(417 nm)[90～91],同年还报道InGaN多量子阱室温连续蓝光LD。[92～93]1996年中村修二提出利用InGaN蓝色LED(460～470 nm)激发黄色荧光粉以制造白色LED的方法,利用这种荧光粉技术可以制造出其他颜色(如紫色和粉红色等)LED。1997年1月加州大学圣塔巴巴拉分校教授中村修二、德巴拉斯(Steven P.DenBaars)和斯佩克(James S.Speck)宣布开发出高亮度蓝紫色GaN脉冲激光器。2007年1月中村修二又发明了非极性GaN蓝紫色LD(用于蓝光DVD),使得GaN材料一跃而成为当今研究最为热门的宽禁带半导体材料。III簇氮化物是直接带隙半导体材料,发光范围从紫外到红外而覆盖整个可见光区,是理想的光电器件材料。[94]2014年3月美国科锐(Cree)照明公司(国际知名LED芯片供应商)宣布已在实验室研制成功流明效率为303 lm/W的白色LED。以蓝色LED为核心技术的半导体照明具有寿命长、色彩可控、无汞和低压工作等优点,有着巨大的应用潜力和广阔的市场空间,可大大降低能源消耗和温室气体的排放。实现全色白光LED(非三基色合成)和不可见光LED的技术难度则更大。

现有的三条LED照明技术路线：①第一条路线(主流技术路线)：以日本Nichia公司为代表的蓝宝石衬底GaN基蓝色LED(2014年诺物奖获奖成果)。②第二条路线(贵族技术路线)：以美国Cree公司为代表的碳化硅衬底GaN基蓝色LED,其主要发明人(克劳福德、拉塞尔·杜普伊斯和何伦亚克)获2002年度美国国家技术创新奖(National Medal of Technology and Innovation,原名National Medal of Technology,始颁于1985年,每年颁奖1次,2007年起更为现名)。③第三条路线(中国特色技术路线)：以中国晶能光电(LatticePower)公司为代表的硅衬底GaN基蓝色LED,此发明攻克了世界性难题,具有完整的自主知识产权,冲破了国外的专利束缚,产品在市场上形成独特优势。“硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”项目获2015年度中国国家技术发明奖一等奖,主要完成人(共6人)：南昌大学江风益(1)、刘军林(2)、王立(3)和熊传兵(5)；晶能光电(江西)有限公司孙钱(4)以及中节能晶和照明有限公司王敏(6)。

2.1420世纪的重大技术发明

20世纪四项重大技术发明(俗称20世纪新四大发明)：①原子能技术(现已发展为热核聚变技术)：费米(核反应堆之父和中子物理学之父)领导的一个实验小组1942年12月2日在芝加哥大学建成世界上首座原子能反应堆——以浓缩铀为原料、石墨为减速剂(慢化剂)的可控自持核裂变链式反应装置CP-1(Chicago Pile 1),标志着原子能时代的开始。②计算机技术：由美国物理学家莫齐利(John William Mauchly,1907.08.30—1980.01.08)提出最初方案、电气工程师艾克特(John Adam Presper ″Pres″ Eckert,Jr.,1919.04.09—1995.06.03)任总设计师的世界上首台(多用途)电子计算机——电子数值积分和计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator/Computer,1955年10月2日起停用)于1946年2月14日在宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院诞生(交付使用),次日举行揭幕典礼(2011年费城市政府宣布,2月15日为ENIAC诞辰日),标志着计算机(电脑)时代的开始。从ENIAC到当前最先进的计算机都采用冯·诺伊曼[美国籍匈牙利裔数学家、物理学家、发明家和博学家(polymath),1937年入籍,John von Neumann,1903.12.28—1957.02.08]体系结构,故他被誉为“数字计算机之父”,1944年他因与人合作首创现代博弈论又被誉为“博弈论之父”。实际上,至少还有2台计算机的诞辰要早于ENIAC：(i)世界上首台电子计算机是美国籍保加利亚裔物理学家阿塔纳索夫(John Vincent Atanasoff,1903.10.04—1995.06.15,法定的电子数字计算机之父)和在读硕士研究生贝瑞(Clifford Edward Berry,1918.04.19—1963.10.30)在依阿华州立大学研制成功的不可编程的阿塔纳索夫—贝瑞计算机ABC(Atanasoff-Berry Computer),1939年12月进行过演示,1942年成功完成测试。[95～96]1973年10月19日美国明尼苏达地区法院法官做出终审判决：1939—1942年阿塔纳索夫和贝瑞在依阿华州立大学制造了首台电子数字计算机,莫齐利和艾克特关于首台电子数字计算机的发明专利无效。(ii)英国科洛萨斯计算机(Colossus computer,意译则是“巨人计算机”)的研制始于1943年3月,Colossus Mark 1于1944年1月10日投入运行,改良版Colossus Mark 2则于同年6月1日投入运行(主要用于逻辑运算和判断,次年6月8日起停用,1975年才解密),当时研制的主要目的是为了“二战”期间破译德国经洛伦茨密码机(Lorenz cipher)加密过的密码。其研制负责人是英国邮政研究所(Post Office Research Station)工程师弗劳尔斯(Thomas ″Tommy″ Harold Flowers,MBE,1905.12.22—1998.10.28)博士,图灵的图灵机理论促成了Colossus的诞生。1936年英国计算机科学家、数学家、逻辑学家、密码分析学家、哲学家和数学生物学家图灵[Alan Mathison Turing,OBE,FRS,1912.06.23—1954.06.07,被誉为“计算机科学之父”(现代计算机之父)和“人工智能之父”]首先提出一种抽象的计算模型——图灵机(Turing machine),1950年首先提出“图灵测试”的概念。1939年图灵研制的Bombe机则主要用于破译德国经恩尼格玛密码机(Enigma machine)加密过的密码。计算机发展史上的五代：(i)1940年代的电子管(包括真空管和离子管两大类)计算机。1904年英国电气工程师和物理学家约翰·弗莱明(Sir John Ambrose Fleming,FRS,1849.09.29—1945.04.18)根据爱迪生效应首先制成检波二极管(即电子二极管),这是最早出现的真空电子管。1906年美国发明家德福雷斯特(Lee de Forest,1873.08.26—1961.06.30,被誉为“无线电之父”)发明了热电子三极管(即真空三极管),1912年他首次发现电子管的放大作用,为近代电子工业的发展奠定了基础。(ii)1950年代的晶体管计算机。(iii)1960年代的中小规模集成电路计算机。(iv)1970年代的LSI和VLSI电路计算机。(v)1980年开始研制的VLSI多值计算机(即人工智能化生物量子计算机),仍处于研制过程中。③半导体技术：以贝尔实验室物理学家肖克利、巴丁和布拉顿(3人分享1956年诺物奖)为核心的固体物理研究小组利用半导体锗材料于1947年12月16日(12月23日是演示时间)研制成功世界上首只双点接触式晶体三极管[巴丁和布拉顿获得接触式晶体管的发明专利US2524035,申请日：1948.06.17,公开日：1950.10.03,参阅名称和公开日与此完全相同的另外2个专利：①US2524033,发明人：巴丁,申请日：1948.02.26；②US2524034,发明人：巴丁和物理化学家吉布尼(Robert B.Gibney,1947年12月11日由他提供N型锗片),申请日：1948.02.26。肖克利获得面结型晶体管的发明专利US2569347,申请日：1948.06.26,公开日：1951.09.25,参阅肖克利的另一个专利：US2502488,名称：半导体放大器(Semiconductor amplifier),申请日：1948.09.24；公开日：1950.04.04。晶体三极管是由物理学家、化学家和电子线路专家协同攻关所取得的发明成果],晶体管的性能远远优于电子管,开辟了半导体电子元器件的新纪元。在电力和电气传动行业广泛应用的晶闸管(thyristor或SCR=silicon controlled rectifier)亦由贝尔实验室所发明,1950年肖克利首先发明p-n-p-n四层结构的半导体二极管(后称肖克利二极管,等效于没有连接控制极的晶闸管,早已停产),1952年美国电气工程师艾伯斯(Jewell James Ebers,1921—1959)研究了p-n-p-n结的运行机制[97],1954年艾伯斯和莫尔(John Louis Moll,1921—2011)提出关于晶体管电流的数学模型(现称艾伯斯—莫尔模型)[98],1956年莫尔小组研制成功晶闸管[99],1957年GE公司首先实现SCR的商业化。④激光技术。另有航天技术可与上述新四大发明相媲美,它们都是属于具有根本性创新的通用技术GPT(general purpose technology)。雷达(1935年发明,“二战”期间大量实用。笔者认为以DDT替代较为恰当,1939年9月其高效杀虫药效被发掘出来并迅速得到广泛应用)、青霉素(1928年在实验室中首先发现青霉菌的杀菌作用,1941年实现提纯而得以临床应用,1943年起逐步加以推广)和原子弹(1945年7月16日首次试爆成功)并称为第二次世界大战时期的三大发明。

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[作者简介]朱安远(1964—),男,湖南省邵东县人,工学学士(工业电气自动化专业),北京金自天正智能控制股份有限公司(股票代码：600560)市场营销中心销售总监和高级销售经理,高级工程师,主要从事工业自动化(尤其是冶金自动化三电系统)领域的市场营销和应用工作。兴趣和涉猎领域广泛,近期四大研究主题：①低压变流器电流过载能力指标：关注此事起始于1999年。基于低压交直流变流器,笔者首创电流过载能力指标的普适化四要素原则、等效电流系数学说和缺陷理论(可用于判断变流器的各种原始电流数据是否自洽),首开系统性定量分析研究电流过载能力指标之先河,开辟了变流器电流过载能力指标研究这一新领域。②诺贝尔奖获奖者：喜好此事起源于1981年,自称诺迷(类似于球迷、邮迷、歌迷或影迷),酷爱研究诺贝尔奖得主且乐此不疲,倡议在国际上创建诺学(The Study of Nobel Prizes,类似于中国的红学)。③总体标准差的统计估计方法：研究兴趣发端于笔者1987年对概率论与数理统计的系统性归纳和总结,自学过模糊数学。④陆家羲及组合数学：热心于此事肇始于陆家羲悲喜交加年和陆老师的忌年——1983年。业余爱好：数学、百科知识、集邮、彩票研究和灯谜等。E-mail：1461877797@qq.com。