亞・普羅霍羅夫

蘇聯物理學家，他於澳大利亞阿瑟頓的一個蘇聯家庭出生，1923年回到蘇聯，逝世於俄羅斯莫斯科，1964年獲諾貝爾物理學獎。自1969年，他曾擔任《蘇聯大百科全書》（第三版）的主編 ^[3]  。他們的研究成果對發展量子電子學作出了傑出貢獻，因在量子電子學方面的基礎研究導致了微波激射器和激光器的發展，因而獲1964度諾貝爾物理學獎。

——微波激射器和激光器的發明

1964年諾貝爾物理學獎一半授予美國馬薩諸塞州坎布里奇的麻省理工學院的湯斯（Charles H.Townes，1915—），另一半授予蘇聯莫斯科蘇聯科學院列別捷夫物理研究所的巴索夫（Nikolay G.Basov，1922—）和普羅霍羅夫（Aleksandr M.Prokhorov，1916—），以表彰他們從事量子電子學方面的基礎工作，這些工作導致了基於微波激射器和激光原理製成的振盪器和放大器。

激光器的發明是20世紀科學技術有劃時代意義的一項成就。從60年代一開始，激光理論、激光器件、激光應用各方面的研究廣泛開展，各種激光器如雨後春筍一般湧現。幾十年來，激光科學成果累累，已成為影響人類社會文明的又一重要因素。

量子電子學是無線電電子學和光學的結合點，更與量子物理學和原子物理學的發展密切相關。普朗克的能量子假説和愛因斯坦的光量子理論為量子電子學的發展奠定了基礎。特別是愛因斯坦1916年對輻射理論的分析，為激光提供了理論基礎。而20世紀40年代雷達的發展促進了微波技術應用於微波與分子的相互作用的研究。湯斯正是期望從這一研究中取得分子、原子和核結構的各種信息，探索出一條通過原子和分子諧振在極短波段實現相干振盪器和放大器的途徑。

湯斯1915年7月28日出生於美國南卡羅萊納州的格林維爾（Greenville），十五歲高中畢業後進入格林維爾的佛曼（Furman）大學，他不但物理學得很好，還對語言科學有特殊的興趣。1935年19歲就以優異的成績獲得了物理和語言學兩科的學位。他在很多方面都得到了發展，曾是博物館的講解員和校刊記者，參加游泳隊、足球隊。1936年在杜克（Duke）大學獲物理學碩士學位，1939年在加州理工學院獲博士學位，研究的題目是有關同位素分離和核自旋的問題。

湯斯從1933年進入貝爾實驗室，一直到1947年都在技術部工作。二次大戰期間，他致力於雷達轟炸瞄準系統，並取得了很多與技術有關的專利，因此，他對微波等技術比較熟悉。當時，人們力圖提高雷達的工作頻率以改善測量精度。美國空軍要求他所在的貝爾實驗室研製頻率為24000MHz的雷達，實驗室又把這個任務交給了湯斯。

湯斯對這項工作有自己的看法，他認為這樣高的頻率對雷達是不適宜的，因為這一頻率的輻射極易被大氣中的水蒸汽吸收，因此雷達信號無法在空間傳播。但是美國空軍當局堅持要他做下去。結果儀器做出來了，軍事上毫無價值，卻成了湯斯手中極為有利的實驗裝置，這台儀器達到當時從未有過的高頻率和高分辨率，湯斯從此對微波波譜學產生了興趣，成了這方面的專家。他研究的是微波和分子之間的相互作用。

這時珀賽爾和龐德在哈佛大學已經實現了粒子數反轉①，不過信號太弱，人們無法加以利用。當時人們已經認識到，粒子數反轉是放大的必要條件。湯斯認為，並不是不能實現粒子數反轉，而是沒有辦法放大。他一直在苦思這個問題。他設想如果將介質置於諧振腔內，利用振盪和反饋，也許可以放大。湯斯很熟悉無線電工程，所以別人沒有想到的，他先想到了。

1951年春的一天，湯斯正在華盛頓參加一個毫米波會議，他和肖洛（A.L.Schawlow）同住一個房間。後來肖洛是湯斯的重要合作者。湯斯起身很早，為了不打擾肖洛，他出去在公園旁的長凳上坐下，思考是什麼原因無法制成毫米波發生器。他需要找到一種製作體形極小而又精緻的諧振器的方法。這種諧振器具有可以與電磁場耦合的某種能量。他想，如果能找到這樣的材料，它一定也是象分子之類的東西，要做出這樣小的諧振器並供給能量該會遇到多麼大的技術困難！看來真正的希望在於找到一種利用分子的方法。也許正是早晨新鮮的空氣使湯斯突然看清了這個方案的可行性。幾分鐘內湯斯就草擬好了方案，並計算出把分子束系統的高能態從低能態分開，並使之饋入腔中的條件。他還考慮到腔中應充有電磁輻射以便激發分子進一步輻射，從而提供了反饋，保持持續振盪。

湯斯在會上沒有透露任何想法，他立即返回哥倫比亞，把他的研究組成員召集攏來，開始按他的新方案進行工作。這個組的成員有博士後齊格爾（H.J.Zeiger）和博士生戈登（J.P.Gordon）。後來齊格爾離開哥倫比亞，由中國學生王天眷接替。湯斯選擇氨分子作為激活介質。這是因為他從理論上預見到，氨分子的錐形結構中有一對能級可以實現受激輻射，躍遷頻率為23870MHz。氨分子還有一個特性，就是在電場作用下，可以感應產生電偶極矩。氨的分子光譜早在1934年即有人用微波方法作出了透徹研究。1946年又有人對其精細結構作了觀察，這都為湯斯的工作奠定了基礎。

湯斯小組歷經兩年的試驗，終於在1953年製成了第一台微波激射器，取名為“微波激射放大器”（Microwave Amplification byStimulated Emission of Radiation），簡稱MASER（微波激射器）。

與此同時，還有幾個科學集體在嘗試實現微波的放大。其中在蘇聯有莫斯科的列別捷夫物理研究所普洛霍洛夫和巴索夫的小組，他們一直在研究分子轉動和振動光譜，探索利用微波波譜方法建立頻率和時間的標準。他們認定，只要人為地改變能級的集居數就可以大大增加波譜儀的靈敏度，並且預言，利用受激輻射有可能實現這一目標。他們也用非均勻電場使不同能態的分子分離，不過他們的裝置比湯斯小組的晚了幾個月才運轉。 ^[1] 

普羅霍羅夫1916年7月11日出生於澳大利亞昆士蘭州艾瑟頓一個流亡的俄國革命工人家庭裏，1923年回到祖國蘇聯。從小學到大學，他的學習成績始終名列前茅。1939年以優異成績畢業於列寧格勒大學物理系，同年進入蘇聯科學院列別捷夫研究所振動實驗室當研究生。1941年—1944年戰爭期間在作戰部隊服役，負傷後復員回到列別捷夫研究所，繼續從事研究工作。1960年，普羅霍羅夫當選為蘇聯科學院通訊院士，1966年當選為院士。1968年他被任命為列別捷夫物理研究所副所長。普羅霍羅夫由於研製分子振盪器與他的同事巴索夫一起獲得列寧獎金，他還由於在亞毫米波波譜學方面的工作獲得蘇聯國家獎。他被授予社會主義勞動英雄稱號，曾四次獲列寧勳章。

普羅霍羅夫在他當研究生的1944年—1950年間，就建立了關於電子管振盪器中的頻率穩定性理論，首次獲得同步加速器中電子的超高額相干輻射，並開始了氣體波譜學的研究。就在這些研究中，他萌發了研製分子振盪器的想法。

普羅霍羅夫所依據的原理是物質中電子的受激發射效應。實際上就是愛因斯坦早在1916年就提出的受激輻射概念。設有兩個能級，其能量分別為E1及E2，若上能級粒子數密度大於下能級粒子數密度，就形成了

波同頻率、同方向、同偏振，因而就使入射電磁波得到放大。一個能放大的系統，如果適當加大正反饋，就能形成振盪。這就是量子放大與量子振盪的基本原理。

1952年5月普羅霍羅夫和他的合作者巴索夫在全蘇波譜學會議上提出了獲得量子放大與振盪的可能性的報告。接着，在1954年10月出版的蘇聯《實驗與理論物理》雜誌上，他們發表的論文提出了一個具體方案。選用分子的轉動能級，不同的轉動能級其電偶極矩也不同。具有電偶極矩的分子束在不均勻電場中會發生偏轉，所以處於不同轉動能級的分子偏轉程度有所不同。這樣就可以把它們分開，使處於上能級的分子進入實驗區。這樣就人為地造成了粒子數反轉狀態，從而實現微波的放大和振盪。他們對氟化銫（CsF）分子兩基態之間的躍遷進行理論估算，在《蘇聯科學院報告》上發表了“分子放大與振盪理論”的論文，應用量子力學進行理論分析。普羅霍羅夫與巴索夫和湯斯與肖洛在大約相同的時間內對微波激射器作出了開創性的工作。兩組人思路基本相同，湯斯和肖洛首先在實驗上獲得成功，而普羅霍羅夫和巴索夫則首先奠定了理論基礎。

氨分子激射器作為第一個量子電子學器件，有其重要的歷史意義。它製成後不久，就被做成氨分子鐘，作為時間和頻率的基準。但由分子束或氣體制成的微波激射器波段有限，濃度低，功率小。還有待於繼續發展。

後來普羅霍羅夫把氨分子激射器的工作波長減小到亞毫米量級，把頻率提高了一兩個量級。從1955年起，普羅霍羅夫又把注意力轉向順磁共振微波激射器，他在幾年內研究了一系列順磁晶體的順磁共振與弛豫特性，並於1958年獲得了微波激射。

1958年普羅霍羅夫和湯斯分別發表文章，指出光學中使用的法布里-珀羅標準具可用作從亞毫米波直到可見光波段的諧振腔。與微波諧振腔相比，這是一種開放式的腔。兩塊具有高反射率的半透鏡對面放置，其間隔遠大於波長。但入射電磁波從垂直於鏡面的方向射入腔中後，在兩鏡面間來回反射，形成駐波，起着諧振腔的作用。在他們的理論指導下，兩年後就發明了激光器。

巴索夫1922年12月14日出生於俄羅斯的烏斯曼，父親是一位大學教授。巴索夫於1941年在優龍涅什中學畢業。衞國戰爭中在部隊服役。1946年進入莫斯科機械學院，1950年畢業。從1948年起，巴索夫就在蘇聯科學院列別捷夫物理研究所振動實驗室任實驗員，大學畢業後繼續在該研究所工作，並升任工程師，1956年獲得博士學位，1963年，任該所新建立的量子電子學實驗室主任，兼莫斯科工程物理學院（原莫斯科機械學院）教授。普羅霍羅夫與巴索夫聯名發表的兩篇有關微波激射器的開創性論文，第一作者都是巴索夫，第二作者是普羅霍羅夫。可見，巴索夫在這項有歷史意義的工作中起了何等的作用。當時巴索夫還未取得博士學位。

巴索夫又一項重要的科學貢獻是對半導體激光器的研究。早在第一台激光器問世以前，巴索夫在1959年就提出了半導體激光器的方案。在半導體上加上足夠強的脈衝電場，在強電場作用下，大量原子通過碰撞而被電離，導帶中的電子數及價帶中的空穴數均急劇增多。當電場撤去後，在一定條件下，可以產生粒子數反轉狀態。1961年，巴索夫又提出p-n結注入式激光器的原理，發表於蘇聯《實驗與理論物理》雜誌上。他還導出了產生受激發射的條件。據此，好幾個研究組在1962年先後製成了半導體激光器。巴索夫用砷化鎵（GaAs）在77K下獲得近紅外光的受激輻射。這種類型的激光器後來得到不斷的完善，改進了結構，降低了閾值電流，提高了效率，壓縮了激光線寬，特別是使其能在室温下工作。到了70年代後期，已逐漸形成了在應用上大發展的局面。成為當前應用最廣的一種半導體激光器。

巴索夫倡導激光引發熱核聚變，在1962年蘇聯科學院主席團會議上，以及在1963年巴黎國際量子電子學大會上，他都提出了這個建議。他一方面研製大功率的激光器和研究靶技術；另一方面深入瞭解產生這種效應的物理條件。1968年，實現了用強激光照射氘化鋰（LiD）靶，首次發現從靶中產生出了中子。

巴索夫還致力於尋求新的原理與途徑以產生大功率激光。從1962年起，他和他的合作者在化學激光器方面進行了深入研究，製成大功率脈衝和連續的氟化氫化學激光器、大功率納秒脈衝光解離碘激光器、用電離的新型高氣壓氣體激光器和準分子激光器。他們在信息的光學處理方法、激光穩頻、激光頻標、激光誘發化學反應、金屬表面的激光塗層與固化等方面都有重要工作。在非線性光學方面，產生激波的爆發性化學激光器方面，巴索夫都起到了先驅者的作用。 ^[1]