732006 NO.9&10 记录媒体技术激光的发明是20世纪中期一项划时代的成就，对人类社会文明产生了极其深远的影响。

人们把激光和原子能、半导体、计算机列在一起，称为20世纪的“新四大发明”。

激光的出现不但引起了光学革命性的发展，冲击了整个物理学，并且对其它学科如化学、生物学和技术及应用学科如电机工程学、材料科学、医学等都产生了巨大的影响。

像蒸汽机、发电机和电动机、晶体管、计算机这些创新一样，激光是一项通用技术，它提供了可以在大量实际领域应用的技术能力。

对光盘存储而言，激光的发明是光盘存储技术必不可少的基础，它为光盘存储提供了一个有足够功率并且能够汇聚成很小光斑(微米级或亚微米级)的光源。

可以说，没有激光的发明，就没有后来的光盘的发明。

本文主要为光盘技术人员介绍激光技术的发展历史和趋势。

一、激光的发明和发展所谓激光就是受激发射的光，是被其它辐射感应而激发的辐射。

激光的英文名词为Laser ，是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的词首字母构成的新词，其原意是受激辐射光放大器。

早期在我国曾被翻译成“莱塞”、“雷射”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。

直到1964年，由钱学森院士提议取名为“激光”，它既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明了它是一种很强烈的新光源。

钱学森院士的提议得到国内学术界的一致认同，在中国大陆激光这个新名词就一直沿用至今。

现在我们知道，物质的发光过程有两种：一种称为自发辐射，另一种称为受激辐射。

自发辐射是在没有外来光子情况下，原子自发地、独立地从高能级E 2向低能级E 1的跃迁。

自发辐射是随机过程，跃迁时发出的光在相位、偏振态和传播方向上都彼此无关。

受激辐射是处于高能级E 2的原子，在受到能量为hv = E 2-E 1的外来光子的激励时，跃迁到低能级E 1，并辐射一个与外来光子的频率、相位、振动方向和传播方向都相同的光子。

1916年，爱因斯坦根据物质发光和吸收必须符合能量守恒的基本原则，预言除了大量的自发辐射以外还必然存在着少量的受激辐射，并且这种受激辐射还激光技术的发展历史◇顾 颖会进一步引发同类的受激辐射，因此可以获得受激辐射被增强的效应。

爱因斯坦的论断为激光的发明提供了理论基础。

图1 自发辐射和受激辐射图2 爱因斯坦此后，科学家们多次企图在原子发光实验中验证受激辐射的存在，但是要从大量的自发辐射中区分出只含万分之几的受激辐射确实是十分困难的，所以始终未能获得成功。

第二次世界大战时期，由于军事上雷达技术的需要，微波辐射和分子光谱学得到迅速发展，研究前沿向更短的波长领域推进，以达到更高分辨率的目标。

战争结束后，美国军方对毫米级波谱学的研究工作保持着强烈的兴趣，因为其方便的部件可以用于减少导弹的重量、设计安装在坦克和潜水艇上的轻量级短波雷达、以及用于提高短波通讯的安全性。

科学家们在军方的资助下能够利用战后剩余的微波设备继续微波辐射研究。

1951年，美国哥伦比亚大学教授汤斯(Charles Townes)开始了“受激辐射微波放大器”(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation-MASER ，译作脉塞)的研究。

1954年，汤斯和他的学生古尔德(Gordon Gou)合作制成了第一台脉塞，他成功地隔离了激发态氨(Ammonia)分子并实现了粒子数反转(上能级分子数分布大于下能级分子)，把一束受激的氨分子束瞄准进入谐振腔，使腔内激发态氨分子受激跃迁产生24千兆赫频率的辐射信号。

第一个脉塞辐射的波长略大于1厘米，功率只有几十毫微瓦，但是能量集中在很窄的谱线内。

同年，苏联科学家巴索夫(Nikolai G. Basov)和普洛赫洛夫(Aleksandr M. Prokhorov)在莫斯科莱比德夫研究所也研制成脉塞。

脉塞研究的成功，证明了受激辐射原理技术应用的可行性，同时也促使科学家们探索把这种方案推向可见光波段的可能性。

1957年，汤斯与贝尔实验室的肖洛(Arthur L.Schawlow)开始合作，当时汤斯在贝尔实验室担当顾问。

经过一年多的工作，1958年8月，汤斯和肖洛在贝尔实验室提交专利申请之后，把他们的手稿送到《物理学评论》。

同年12月，这篇题为《红外和光学激射器》(Infrared and Optical Masers)的论文发表，提出了建造激光的思想。

这篇论文对美国的激光发展产生了深远的影响。

苏联科学家巴索夫、普洛赫洛夫也在同年发表了实现这种可能性的设想。

汤斯提出，在可见光波段的谐振腔大小并不一定要与光的波长尺寸相当，因为这样小的谐振腔是难以制造的，但可以允许一个驻波在较大的腔内谐振。

另外，光的反馈系统可以采用具有高反射率的光学反射镜来实现。

1964年，汤斯、巴索夫和普洛赫洛夫共同分享了诺贝尔物理奖，以表彰他们在脉塞及之后的激光研究方面的贡献。

图3 汤斯和脉塞装置由于可见光的波长比微波波长短得多，谐振腔的制作精度要求更高，另外寻找适当的激光工作物质也相当困难。

直到1960年5月，在休斯公司研究实验室工作的美国科学家梅曼(Theodore Maiman)用红宝石棒作为激光工作介质，在棒两端镀银反射层构成谐振腔，用高强闪光灯作光泵，激励红宝石晶体内的铬原子，制造出了世界上第一台可以工作的红宝石激光器。

这一成就极大地鼓舞了其他研究人员。

很快，IBM公司的绍罗金(Peter Sorokin)和史蒂文森(Mirek Stevenson)发明了钙氟化物晶体激光器；贝尔实验室的肖洛(Arthur L.Schawlow)和丹佛林(G. Devlin)证明暗红宝石可以用来做激光器；特别是在同年年底由贝尔实验室的贾万(Ali Javan)、班尼特(William Bennett)和赫里欧(Dona Herriott)成功建造了第一个连续运行的电泵浦的氦氖激光器。

这样，在同一年中有四种不同类型的激光运行成功。

图4 梅曼夫妇图5 原型红宝石激光器的结构图6 贾万、班尼特和赫里欧在调整氦氖激光器1960年的第一批激光发明器，不仅实现了汤斯和肖洛在1958年的理论设想，而且，研究者对许多材料作了详尽的研究，而不是仅仅限于汤斯和肖洛讨论的钾蒸汽，他们确定了这些材料实现粒子数反转的要求，同时建立了可以满足这些要求的泵浦源。

一种全新的技术就建立起来，激光研究出现了空前繁荣的局面。

1960年，美国和欧洲的激光研究组的数量大约在25-50之间，仅两年之后单单在美国就有500个。

一些公司即开始将激光推向商业市场，这些可以利用的激光器加快了大学、工业和政府机构的研究进程。

60年代美国的风险投资状况非常好，政府的采购和财政政策都对小企业创业有着特殊的优惠条件。

到1963年，美国已有20-30家激光公司进入市场。

除了一些大公司(如休斯公司)外，由科学家创办的小公司发展迅速，如光谱物理公司(Spectra-Physics)是由五个有着742006 NO.9&10 记录媒体技术科学家和工程师背景的企业家二次创业所建立的，后来成为美国最大的激光制造商；考拉德(Korad)则是梅曼在发明红宝石激光器后不久离开休斯后创立的，代表着经典的科学家创办企业的模式。

1963和1964年之后，研究者开始指导自己发现激光的特殊性质。

例如，光谱物理公司的创始人之一和实验部主任贝尔(William Bell)在改进氦氖激光器的研究中，偶然发现水银离子可以产生比通常红光更短的绿光。

耶鲁大学的班尼特深受这一发现吸引，因为更短的波长具有特殊的用途，如美国海军需要用蓝绿的激光用于海底通讯和探测潜水艇与水雷，由此，班尼特发明了重要的离子激光器——氩离子激光器。

对材料和受激方法的研究带来不同种类的激光：半导体激光，离子激光和化学激光等，而对激光的性质和效应的研究则反过来进一步促进了激光技术的发展。

新的激光类型不断出现。

1965-1968年已经有100多种新的激光出现。

工业实验室的作用突出的表现在最重要的激光器——半导体激光器发明上。

自1947年晶体管发明之后，半导体研究成为蓬勃发展的领域。

1961年，美国的RCA、MIT的林肯实验室、IBM、GE等实验室都开展了半导体激光器研究。

1962年秋天，GE、IBM和林肯实验室相继在一个月内成功地制造了砷化镓(GaAs)半导体激光器。

1967年，贝尔实验室的潘年希(Morton Panish)和海牙希(Lzuo Hayash)提出了在GaAs中掺杂铝(Al)的方案，他们在1970年成功地研制出第一个在室温状态下连续运行的AlGaAs半导体激光器。

此后，历经了30多年的发展，半导体激光器结构由早期的同质结，经历了单异质结、双异质结、量子阱、应变量子阱，直到今天正在发展的自组装量子点和量子级联的单极性结构。

目前半导体激光器的可靠性寿命已达数百万小时，波长覆盖从红外到近紫外波段，连续输出功率从若干毫瓦到百瓦水平。

半导体激光器发展到今天在诸多领域中，如在光纤通信、光盘存储、全色显示、激光传感、激光印刷、激光加工、激光医疗，以及军事领域中的激光武器、测距、制导等方面得到广泛应用。

可以说，半导体激光器发展速度之快，应用范围之广，发展潜力之大是目前任何其他激光器所无法比拟的。

激光技术发展到今天，已形成了一个产业。

美国、日本、德国三个国家激光产业的发展代表了当今世界激光产业发展的趋势。

美国在500瓦以下的中、小功率激光器方面占优势，德国在500瓦以上用于材料加工的高功率激光器方面占优势，而小功率的半导体激光器则是日本占优势，占世界市场的70%以上。

这表明各个国家的发展都与他们自己的工业基础有关。

美国由于在基础理论研究和工业发展的支持体系方面的强势，使它在世界激光产业的产品研发方面走在世界的前列。

而日本在以制造技术为基础的半导体产业方面的优势，使它在半导体激光器世界市场上占有较大的份额。

二、用于光盘存储的半导体激光器的发展早期的激光视盘播放机和CD数码唱机采用氦氖激光器作为读出光源，因为当时的半导体激光器在工业应用方面还存在寿命、模式、稳定性等质量问题。

1970年出现的室温连续振荡780nm波长近红外AlGaAs双异质结构半导体激光器，为半导体激光器在光盘存储领域的广泛应用奠定了基础，此后，人们还开发出了将电流和增益分布限制在条形区从而使振荡模稳定的增益波导型器件，70年代后期又出现了在结的平行方向上有折射率分布的折射率波导结构，形成了现在光盘系统用半导体激光器的基本结构。

1982年日本先锋公司用夏普公司制造的这种近红外半导体激光器代替气体激光管，并将其用于CD播放机光学头，从此半导体激光器作为光盘读出光源的时代正式开始了。