第一章　激光医学发展史

激光技术的发展历程可以大致分为受激辐射概念的提出、微波波谱学的创立、微波激射器的问世、激光器诞生以及激光技术的发展这五个阶段。

激光（laser，英译名“镭射”“莱塞”）是由英文light amplification by stimulated emission of radiation的各单词第一个字母组成的缩写词，意为“受激辐射光放大”。1964年按照我国著名科学家钱学森建议，将“光受激发射”改称“激光”。

激光是20世纪60年代发展起来的一门新兴学科，基于受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。激光的原理早在1917年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到1960年才成功研制出首台激光器。激光是在有理论准备和生产实践迫切需求的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞速发展，激光的发展使古老的光学科学和光学技术获得了新生，在医学、通讯、化学、物理、军事、工业领域作出了卓越的贡献，并建立了激光医学（laser medicine）、激光物理学、激光化学、激光生物学等边缘学科。

激光的出现和应用被称为人类使用工具的第三次飞跃。从燃烧木柴得到火源，到开发各种化石燃料获得机械动能，直至依靠核能、元素衰变获取能源、输出电力，人类一直在探索和开发能量利用和储备的新途径。激光作为全新的能量利用方式，是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度可以达到太阳光的100亿倍。激光加工是未来制造系统的共同加工手段。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。

1813年法拉第发现电磁感应。1886年赫兹第一次成功地传输了电磁波。1887年赫兹第一个观察到光电效应。19世纪下半叶发展起来的电磁场理论能够解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和双折射等现象，20世纪初出现了黑体辐射、原子线状光谱、光电效应、光化学反应和康普顿散射等实验现象，这些涉及光与物质相互作用时能量与动量的交换特征已经无法用当时的经典理论来解释。

1900年普朗克建立量子理论。1905年爱因斯坦提出光量子假说并成功解释了光电效应，并因此获得1921年诺贝尔物理学奖，他认为辐射不仅在发射和吸收过程中是以量子的形式出现的，而且辐射本身也是由光量子组成的。1913年，玻尔提出了全新的原子结构模型（原子中电子运动状态量子化假设），但玻尔没能说明原子是如何从一个定态跃迁到另一个定态的。1917年爱因斯坦在玻尔的原子结构基础上，提出了受激辐射理论（光与物质相互作用），这一理论提出了在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象，为激光的出现奠定了理论基础。

1906年Lee de Forest发明三极电子管以后，人们就能够根据需要，方便地产生、放大和调制相干无线电波，无线电通信事业开始大规模发展起来。由于无线电发射装置迅速增加，可供使用的波段很快被占满，科学家和工程师们不得不努力开拓新的波段。1934年，Critton和Williams用1～4cm的各种微波与氨分子相互作用，发现在1.25cm处有强烈的吸收，这是微波波谱学方面最早的实验。第二次世界大战中，主要由于对雷达的需要，微波技术获得了突飞猛进的发展，这批既精通电子学和微波振荡技术，又熟悉分子与原子光谱，从事微波辐射与分子相互作用研究的微波物理学家，很自然地将光谱学（及波谱学）和微波电子这两门似乎风马牛不相及的学科结合起来，在二次世界大战结束前后，开创了微波波谱学。随着这门新学科的发展，许多分子和原子微波波谱的发现，关于粒子数反转的可能性，以及如何利用受激辐射实现相干放大的问题，逐渐成为微波波谱学家们关心的问题，他们的研究导致了微波激射器的问世。

在爱因斯坦提出受激辐射的概念之后，一些科学工作者沿着这个方向继续工作。1925年美国物理学家Tolman发表有关分子在处于较高量子态期间的论文中指出“处于较高量子态的分子可以由于负吸收而补充初始光束的方式返回较低量子态”。这意味着从理论上认识到通过受激辐射可以实现光放大。1928年Landenburg等在研究由于放电而受到激励的氖气的折射率时，观测到由于受激辐射引起的负色散现象。这是首次从实验上证实了受激辐射的存在。1940年苏联物理学家Fabricant在他的博士论文中论述气体放电的发光机制时，提出分子（或原子）的能量分布为非热平衡分布的情况下，可用实验证实负吸收存在，同时分析了负吸收产生光放大的可能性，以及由此引起的光强度和方向性增强的问题。微波波谱学建立以后，对于通过受激辐射实现放大的研究速度大大加快。1946年美国物理学家Bloch等在做核感应实验时，测到了微波与工作物质之间的共振信号，并初次观测到粒子数反转的实验现象。1951年，美国物理学家Purcell和Pound在用氟化锂做核感应时，有意识地把加在工作物质上的磁场突然反向，在核自旋系统中造成了粒子数反转，结果获得了50kHz的受激辐射。1951年，Towens提出受激辐射微波放大，即MASER的概念；1953年，Towens和Gordon等将电磁波的研究范围由短波扩大到电磁波范围，成功研究了当时被称为MASER（microwave amplification by stimulated emission of radiation，微波受激发射放大）的一种设备；微波激射器的研制成功，在激光发展史上占有重要地位，利用受激辐射现象这把钥匙打开了相干放大波长为厘米或更短电磁波的大门，为激光器的问世做了全面的准备工作。

1954年Gordon、Zeiger和Towens发表了关于激光的基本理论文章。1955年Basov和Prokohorov阐明气体激光的三能级系统。1957年Feher等首次实现了二能级固体量子振荡器；Makhov等采用速调管作泵第一次用红宝石产生量子放大；Butayeva等观察到了用缓冲气体与金属蒸气作为混合气体的放大与反转。同年，Gould博士创造了“laser”这个单词，从理论上指出可以用光激发原子。

1958年，美国科学家Towens和Schawlow发现了一种神奇的现象，当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终汇聚在一起的强光；根据这一现象，他们提出了“激光原理”，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，会产生这种不发散的强光（激光），标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台，他们为此发表了重要论文并于1964年获得诺贝尔物理学奖。

美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家Maiman于1960年5月15日宣布获得了波长为0.694 3μm的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，Maiman因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家；1960年7月7日，Maiman宣布世界上第一台激光器诞生，他的方案是利用一个高强闪光灯管，来激发红宝石。红宝石在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。激光的诞生意味着光学科学的一场革命，立即在科学界引起了极为强烈的反响，并吸引了各国政府、军方和社会各界的广泛关注。

第一台红宝石激光器诞生之后，有关研究工作迅速展开。在短短几个月里，各种不同工作物质的激光器像雨后春笋般地出现。1960～1962年先后出现了第一台四能级固体激光器、1 150nm近红外线氦氖激光器、钇铝石榴石（yttrium-aluminium garnet，YAG）激光器、砷化镓（GaAs）半导体激光器、488nm氩激光器，1964年Patel等又发明了CO ₂激光器，Geusic等发明了Nd：YAG激光器（掺钕钇铝石榴石激光，neodynium：yttrium-aluminium garnet laser，Nd：YAG laser），1964年还出现了离子激光器，1965年以后相继出现了皮秒级脉冲激光器、化学激光器、生物染料激光器等，标志着一门新的学科——激光技术的形成。此外还广泛开展了激光在各个行业的应用研究。用红宝石激光器输出的脉冲激光在钟表轴承（也是红宝石晶体）上打孔，工效比传统工艺提高成千上万倍。

1961年，激光首次在外科手术中用于治疗视网膜肿瘤。1971年，激光进入艺术世界，用于舞台光影效果，以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。

美国、英国、日本等发达国家还制订专项计划，投以巨资，开始研制以核聚变为目标的大型高功率激光系统和激光武器，特别是反导弹武器为背景的高能量激光器系统。

中国的激光技术研究起步很早，可以说几乎和国际上同步展开。1957年，我国老一辈光学专家王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所——中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（简称“长春光机所”）。

1961年，中国第一台红宝石激光器诞生于长春光机所。1968年上海研制出Nd：YAG激光。此后短短几年内，激光技术迅速发展，产生了一批先进成果，各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功（表1-1）。

在基础研究和关键技术方面，一系列新概念、新方法和新技术（如谐振腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等）纷纷提出并获得实施，其中不少具有独创性。作为具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源，激光很快应用于各技术领域，显示出强大的生命力和竞争力。

目前激光发展趋势为激光器产生的能量密度和功率不断提高、体积更小（半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器）、更集成（激光模块）、脉宽更窄（超快激光）、更多样化（多样化的泵浦方式、多样化的工作物质）。

随着光纤激光、超快激光、量子级联激光、太赫兹等的研究、应用，激光已经广泛应用于军事（激光测距、直接摧毁、激光制导等）、光学、医学与医疗美容、汽车、电子产品、太阳能光伏、印刷包装、激光全息、半导体照明、光通信、条码扫描、成像、娱乐、激光雕刻与切割、焊接、表面处理、芯片刻蚀、激光显示与测量、航空航天、原子能、天文、地理、海洋等领域。国内的激光设备公司也如雨后春笋般涌现。