激光的概念

受激輻射1916年，愛(ài)因斯坦在論述普朗克黑體輻射公式的推導(dǎo)中提出受激輻射概念，相關(guān)論文《輻射的量子理論》發(fā)表在德文《物理學(xué)年鑒》上。他在玻爾能級(jí)理論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了光量子理論，他不但論述了輻射的兩種形式：自發(fā)輻射和受激輻射，而且也討論了光子與分子之間的兩種相互作用：能量交換和動(dòng)量交換。然而，愛(ài)因斯坦并沒(méi)有想到利用受激輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)光的放大。因?yàn)楦鶕?jù)玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布，平衡態(tài)中低能級(jí)的粒子數(shù)總比高能級(jí)多，靠受激輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)光的放大實(shí)際上是不可能的。

湯斯（左）和戈登展示微波受激輻射放大器

激光的發(fā)明

從Maser到Laser1951年，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的湯斯（Charles Townes）教授突發(fā)奇想，提出利用氨分子氣體放大微波輻射的設(shè)計(jì)方案。1953年12月，湯斯和他的合作者以及學(xué)生成功研制了第一臺(tái)微波受激輻射放大器Maser（microwave amplification by stimulated emission of radiation），工作在1.25厘米波段。之后不久，他們又從理論上證明可以在光學(xué)和紅外波段實(shí)現(xiàn)這種受激放大器，并給出了光學(xué)受激輻射放大器的命名Laser（light amplification by stimulated emission of radiation），即激光。

前蘇聯(lián)的巴索夫（Nikolay Basov）和普羅霍洛夫（Aleksandr Prokhorov）獨(dú)立進(jìn)行類似的研究工作。湯斯也因此和巴索夫、普羅霍洛夫一起分享了1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。名師出高徒，2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主之一根策爾（Reinhard Genzel）的博士后合作導(dǎo)師正是湯斯。更有意思的是，激光在根策爾獲諾獎(jiǎng)的銀河系中心超大質(zhì)量黑洞相關(guān)工作中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這可能是湯斯本人都沒(méi)有想到的。

1960年7月7日，美國(guó)科學(xué)家、休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼（Theodore Maiman）根據(jù)湯斯等人的理論發(fā)明了第一臺(tái)激光器，此時(shí)，距離愛(ài)因斯坦提出受激輻射已有44年。有趣的是，梅曼把他的論文投寄給《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）后，不料竟遭退稿！于是梅曼在1960年7月7日在紐約學(xué)報(bào)上宣布了這一消息，不久又將結(jié)果以簡(jiǎn)報(bào)的形式在Nature上發(fā)表。直到第二年，《物理評(píng)論》（Physical Review ）才發(fā)表他的詳細(xì)論文。

激光的中文取名

1961年，中國(guó)大陸第一臺(tái)激光器在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所由王之江等研制成功。但當(dāng)時(shí)中國(guó)并沒(méi)有激光一詞，中國(guó)科學(xué)界對(duì)Laser的英文翻譯多種多樣，例如“光的受激輻射放大器”、“光量子放大器”，這些名字顯然太長(zhǎng)，不利于稱呼。還有一些音譯，如“萊塞”或者“雷射”。

1961年我國(guó)研制的第一臺(tái)紅寶石激光器

命名的混亂給科學(xué)界、教育界帶來(lái)極大的不便。1964年冬天，中國(guó)全國(guó)第三屆光量子放大器學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)在上海召開(kāi)，研究并通過(guò)對(duì)專有名詞的統(tǒng)一翻譯和命名。會(huì)議召開(kāi)前，《光受激發(fā)射情報(bào)》雜志編輯部給中國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森寫了一封信，請(qǐng)他給Laser取一個(gè)中文名字。不久，錢學(xué)森回信建議命名為“激光”。這一名字表現(xiàn)出光的本質(zhì)、又描述了這類光和傳統(tǒng)光的不同，“激”體現(xiàn)了受激發(fā)生、激發(fā)態(tài)等意義。從此，Laser有了統(tǒng)一的中文名稱。

衛(wèi)星激光測(cè)距

自出現(xiàn)以來(lái)，激光就被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。早在70年代，激光測(cè)距就被用在天文學(xué)領(lǐng)域。隨著1969年阿波羅11號(hào)登陸月球，地面激光測(cè)距站就通過(guò)阿波羅11號(hào)安置在月球表面的后向反射鏡測(cè)量精確的地月距離。

安裝在月球表面的反射器

衛(wèi)星激光測(cè)距（SLR）和月球激光測(cè)距（LLR）使用短脈沖激光和最先進(jìn)的光學(xué)接收器和定時(shí)電子設(shè)備測(cè)量從地面站到地球軌道衛(wèi)星和月球上的逆射器陣列的雙向飛行時(shí)間（以及距離）。

衛(wèi)星激光測(cè)距示意圖

如今國(guó)際激光測(cè)距服務(wù)（ILRS）組織的合作觀測(cè)站遍布全球，并與各國(guó)的組織機(jī)構(gòu)相互合作，提供全球衛(wèi)星和月球激光測(cè)距數(shù)據(jù)及其相關(guān)產(chǎn)品，以支持大地測(cè)量和地球物理研究活動(dòng)，以及對(duì)維護(hù)準(zhǔn)確的國(guó)際地球自轉(zhuǎn)和參考系統(tǒng)服務(wù)（IERS）。

ILRS收集、合并、存檔和分發(fā)足夠準(zhǔn)確的衛(wèi)星激光測(cè)距和月球激光測(cè)距觀測(cè)數(shù)據(jù)集，以滿足廣泛的科學(xué)、工程、操作應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)。ILRS使用這些數(shù)據(jù)集來(lái)生成許多科學(xué)和操作數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括：地球方向參數(shù)、ILRS跟蹤系統(tǒng)的測(cè)站坐標(biāo)和速度、時(shí)變地理中心坐標(biāo)、地球重力場(chǎng)的靜態(tài)和時(shí)變系數(shù)、厘米精度的衛(wèi)星星歷、基本物理常數(shù)、月球星歷和天平動(dòng)、月球方向參數(shù)等。

目前，國(guó)際上主要的激光測(cè)距網(wǎng)包括美國(guó)宇航局（NASA）網(wǎng)、歐洲網(wǎng)（Eurolas）、西太平洋網(wǎng)（WPLTN）和中國(guó)SLR網(wǎng)。

NASA網(wǎng)自二十世紀(jì)七十年代起組建，目前有9臺(tái)儀器，分布在美國(guó)本土、南太平洋、南美洲以及澳大利亞等地，技術(shù)先進(jìn)，測(cè)距精度高，觀測(cè)數(shù)量約占全球常規(guī)運(yùn)行的40多個(gè)站的一半，長(zhǎng)期處于國(guó)際SLR界的領(lǐng)先地位。Lageos衛(wèi)星單次測(cè)距精度為1－1.5厘米(@1000公里，下同)，其中MOBLAS由于回波很強(qiáng)，精度高，可達(dá)7－8毫米，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

歐洲網(wǎng)成立于1989年，現(xiàn)有18個(gè)站，歐洲臺(tái)站的天氣情況不如美國(guó)和澳大利亞，觀測(cè)數(shù)量相對(duì)較少，但在衛(wèi)星預(yù)報(bào)方面有獨(dú)到之處，英國(guó)RGO（現(xiàn)改名為NERC）的衛(wèi)星預(yù)報(bào)精度很高，已廣泛用于全球的SLR站。奧地利Graz站硬件比較先進(jìn)，Lageos衛(wèi)星單次測(cè)距精度8毫米，歐洲第一。

西太平洋SLR網(wǎng)成立于1994年，成員有：中國(guó)、日本、澳大利亞、俄羅斯和沙特阿拉伯，共15個(gè)站。日本Keystonede 在1999年已實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的白天測(cè)距，測(cè)距精度達(dá)到1-1.5厘米；俄羅斯的SLR站很多，單次測(cè)距精度約4-6厘米。

中國(guó)SLR網(wǎng)有5個(gè)固定站和2個(gè)流動(dòng)站，1971－1972年華北光電所（與北京天文臺(tái)合作）和上海天文臺(tái)（與上海光機(jī)所合作）在國(guó)內(nèi)最早開(kāi)始SLR試驗(yàn)。第一代系統(tǒng)采用紅寶石調(diào)Q激光器，單次測(cè)距精度1－2米。1980年，上海天文臺(tái)將測(cè)距精度提高到20－30厘米；1983年，由中國(guó)科學(xué)院牽頭，實(shí)現(xiàn)單次測(cè)距精度15厘米；到1997年，我國(guó)激光測(cè)距精度提升到1-2厘米，達(dá)到世界主流水平。

目前，中國(guó)SLR網(wǎng)由上海天文臺(tái)、長(zhǎng)春人衛(wèi)站、云南天文臺(tái)、北京房山站、武漢測(cè)地所、武漢流動(dòng)站、西安站、阿根廷站等組成。中國(guó)各個(gè)臺(tái)站的激光測(cè)距數(shù)據(jù)質(zhì)量逐年上升，其中長(zhǎng)春人衛(wèi)站激光測(cè)距數(shù)據(jù)數(shù)量與數(shù)據(jù)質(zhì)量常年位居世界前三。

全年激光測(cè)距觀測(cè)數(shù)貢獻(xiàn)情況

近年來(lái)，我國(guó)在激光測(cè)距方面取得了多項(xiàng)進(jìn)展。中山大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)合作，升級(jí)昆明的衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)，于2018年1月22日實(shí)現(xiàn)中國(guó)首次地月距離激光精確測(cè)量，也使我國(guó)成為世界上第五個(gè)擁有此項(xiàng)能力的國(guó)家。

同時(shí)，中國(guó)的激光觀測(cè)也在逐步實(shí)現(xiàn)全國(guó)產(chǎn)化，目前激光發(fā)射器、激光控制器已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化并達(dá)到世界先進(jìn)水平，激光接收器的國(guó)產(chǎn)化也在逐步推進(jìn)，預(yù)計(jì)2021年能完成設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2020年9月28日，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)和上海天文臺(tái)聯(lián)合利用改造后的青海觀測(cè)站1.2米量子通信光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，成功實(shí)現(xiàn)低軌到同步軌道上合作衛(wèi)星（指星上裝有角反射器的衛(wèi)星）的高精度激光測(cè)量，最遠(yuǎn)測(cè)量距離超過(guò)4萬(wàn)公里，測(cè)距精度優(yōu)于1厘米。

德令哈量子通信望遠(yuǎn)鏡激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)

百年來(lái)，科學(xué)家與工程師們一起，逐步揭示了激光的神秘面紗。激光的應(yīng)用也從專業(yè)領(lǐng)域逐步走向大眾生活，無(wú)論是ipad上安裝的激光攝像頭還是無(wú)人駕駛汽車使用的激光測(cè)距，都預(yù)示著激光在未來(lái)將會(huì)有著更廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。