[编者按]T. H. 梅曼是激光器的创始人。1960年，他发表的第一篇论文，当时只有英国的Nature曾予刊登（见Nature187，493，1960）。至1985年，此文发表已整整二十五个年头。然而在这四分之一世纪中，激光技术无论在和平利用还是国防应用方面的各种不同领域中，已逐步发展成了一种无法仿价的高精尖技术。它不仅坎在（或接近）可见光区研究相干电磁辐射成了可能，而且还为爱因斯坦在1912年所发表的辐射量子论所生动描述和真实性的推断，作了论证。
1985年7月Nature为此刊登了一组关于激光器的发展历史及其目前研究规划和永来前景的纪念性文章，本刊特作编译，以飨读者。
自从1960年梅曼（Maiman）首次演示激光器以来，各种工作介质的激光器层出不穷，其性能正朝着高功率、超短脉冲、短波长和波长可调谐等方向发展。目前，钕玻璃固浮激光器的功率已高达100 TW（1 TW=1012 W），实现500 ~ 1000 TW的高效率、高平均功率运转也大有希望；用激光诱发等离子体的方法已获得了的（软）X射线激光，真正的X射线激光器也即将诞生；激光使非线性光学得以发展，并为光计算机开辟了前进的道路；激光在生物学、医学上已用于诊断、治疗、手术以及研究生化过程等方面。1985年7月底英国科学杂志Nature刊登了一组评述文章，介绍了上述四个方面的进展*。
高功率固体激光器
1960年梅曼设计的Q开关红宝石激光器可产生1 kW功率，今天的诺瓦（Nova）激光器竟达1014 W——功率已增加了十一个数量级。六十年代，锁模技术的发明导致了脉宽仅10-11 s的激光脉冲的产生；应用钕玻璃增益介质能把这些窄脉冲放大到一定的能量（大约100 J）。这两种技术巧妙地结合产生了100 GW的激光器。到1971年，为了演示惯性约束聚变的设想。科学家们打算建造10 TW的激光器，偌大的规模足以探明，高效热核燃烧所需的能量。
惯性约束聚变的研究
在1971年，有三种激光介质——原子碘、CO2、钕玻璃——被认为可用来产生10 TW的激光功率。在美国，因为当时对于1.3 μm波长激光的诊断存在一些困难以及在产生亚那秒激光脉冲方面缺乏经验，原子碘激光系统未被选为国家实验室的发展计划。10.6 μm的CO2激光器则由于高效率和高平均功率而成为应用于核反应堆的引人注目的候选者。尽管对于惯性聚变还存在着特有的问题，但它的优点仍吸引了洛斯 · 阿拉莫斯国家实验室对两台功率分别为10 TW（Helios激光器）和30 TW（Antares激光系统）的CO2激光器的研制；还使劳伦斯 · 利弗莫尔国家实验笮选择钕玻璃激光器作为研究激光等离子体相互作用的主要工具。
在七十年代里，用10 μm和1 μm两种波长的激光系统进行的试验表明，这些波长对于有效地加热等离子体来说是长了一些。而把钕玻璃系统的激光倍频到0.5，0.35和0.26 μm激光所作的研究则获得了令人满意的效果。现在大多数惯性约束聚变的研究使用钕玻璃激光谐波转换。进行这种研究的单位，有美国的KMS聚变公司、劳伦斯 · 利弗莫尔实验室、罗彻斯特大学和海军科学研究实验室；在欧洲，有英国的卢瑟福实验研究所和原子武器研究院；法国原子能委员会：苏联莫斯科的列别杰夫和库尔恰多夫研究所；西德的马克斯 · 普朗克研究所以及日本的大阪大学等。
其他的短波长激光源也正在进行研究。这些研究主要集中在能输出0.249 μm波长激光的氟化氪激光器以及1.3，0.65，0.44和0.32 μm的原子碘激光器上。这些系统在好几个实验室中取得了进展，但还没有进行TW级的打靶试验。
尽管科学家已经了解钕玻璃激光技术能够胜任激光等离子体的基础研究，但他们仍然认为有必要发明其他高平均功率和高效率的激光技术以满足潜在的工业应用的需要。
诺瓦激光器
诺瓦激光器是劳伦斯 · 利弗莫尔国家实验室研制成功的目前世界上最强大的激光器。它由10路装置构成，每一路是一条137 m长的激光放大链。总体设计成一个多用途的实验系统，能用波长为1.05，0.53和0.35 μm，脉宽0.05 ns到10 ns的激光进行打靶试验。0.25 μm的实验可在对系统作某些改进以后完成。这个钕系统具有许多引人注目的特点：脉宽及波形可变、高光学破坏阈值、采用薄膜、硅探测器或光导摄像管的简易有效的光束诊断技术以及高功率——在1.05 μm波长上的峰值功率大于80 ~ 100 TW，将能达到1000 TW。该系统还应用了效率高于50%的谐波转换技术。1982年，诺瓦激光器的十路装置中的两路大型元件被安装到称为“诺维特”（Novette）的装置上，用来考核诺瓦的设计、0.53 μm倍频过程以及用0.53和0.25 μm激光加热等离子体的试验。这项工作获得了巨大的成功。具有完整十路装置的诺瓦激光器的目标是扩大上述这些成果，并探索产生氘 - 氚燃料压缩以及类似的激光等离子体相互作用所必需的条件。
诺瓦激光器的光束直径对于谐波转换造了特殊问题。解决的方法是把从27 cm宽的磷酸二氢钾，（KDP）晶体上切割下来的薄片装入一个直径为74 cm的腔孔拼成一个3×3的晶体嵌镶阵列。一个重要的新技术是在精密车床上使用了金刚石切削工具、它能确保被切削晶体表面所需的光洁度和平整度，以保证相对于晶轴的准确角度。另外，还需开发敷镀、机械支撑和诊断技术。谐波系统相当简单，使用了先进的溶胶——凝胶敷层以及双晶体设计，带有简单的斜置和旋转的阵列，能高效地产生0.53或0.35 μm的激光。—个利用透镜中色散现象工作的单线透镜聚焦系统与一个中央光束部件一起，能在的基波及两个谐波波长上聚焦光束，使其他不希望要的波长不能到达目标。
未来的发展
高功率固体激光器未来将朝着两个方向发展。一是为了实验高增益惯性约束聚变打靶，需要5 ~ 10 MJ，1000 TW的激光器。至于将来在工业、国防和核聚变方面的实际应用，关键是这种系统的多功能、低成本和实用性。第二个方向是以适当的成本获得更高平均功率及更高效率的系统，这是发电或生产核燃料所需要的。
回顾七十年代初期的展望，我们感到惊异的是，钕玻璃、碘、氟化氪和二氧化碳激光器的规模已经发展到演示高增益聚变所需的能量和功率水平；而倍频技术是实现这个目标最灵活最经济的方法。使用晶体基质而不是玻璃基质、使用固体激励而不是闪光灯激励的激光器实现高重复频率（5 ~ 10 Hz）和高效率（＞10%）的运转，这个可能性已被埃米特（Emmett）等人在理论上证明，正在实验之中。
X射线激光器
目前已能利用激光诱发等离子体产生单脉冲X射线。这种非相干的辐射是电子与离子热碰撞而产生的，它发生于聚焦的大功率脉冲激光射到固体靶上而产生的炽热等离子体中。但是产生相干的X射线激光遇到了不少困难。对于一定的激光放大系数，激光转换的每单位量所需的荧光辐射与频率成正比。因此对于X射线激光器来说，必须要有一个特别强的X射线源。看来最有希望的要数激光诱发等离子体了。在这方面，劳伦斯 · 利弗莫尔国家实验室进行了一个激动人心的实验。它令人信服地演示了由激光等离子体发出的波长为20.6 nm（光子能量hv=60 eV）的激光放大作用。
这是短波长激光器研制方面最重要的进展。但是60 eV还仅仅是一种远紫外线（XUV）光子能量，真正的软X射线激光还需进一步增大光子能量。不过该室所取得的这个成果的重要意义在于使人们增强了信心——以激光诱发高温等离子体为基础的一系列新型XUV激光器能够从60 eV的远紫外线发展到X射线区域。
远紫外线激光器的特点
XUV激光器的新型式很可能是放大自发发射（ASE）激光器。它是在一块长而薄的激光介质中进行一次或两次通过的光放大。由于放大持续时间短、镜面损失、临界状态调整和输出耦合困难等有关问题，这种激光器未必具有通常的双反射镜谐振腔。ASE激光器需要≥106的一次放大倍数，才能达到饱和条件，使受激发射成为主导过程。
激光束角散度的典型值为10-3 ~ 10-2弧度。激光器的饱和输出功率主要取决于频率并与光束截面成正比。脉冲宽度在50 ps到1 ns之间。
激光器的荧光谱线宽度通常可由多普勒增宽来测定。XUV激光光谱亮度甚至相对于激光等离子体源也有着令人惊诧的增加。
ASE激光仅在光谱宽度倒数的数量级时间内是相干的，大约为4×104 个电磁波周期。波阵面上的空间相干性根据在激光束孔径角内相当大的受激横模数量确定。横向空间相干性被限制在大约光束直径的1/n（典型值为1/50）线度范围内。采用单块反光镜使光束两次通过激光介质可减少横模数量，改善空间相干性。
远紫外线激光器的应用
如果像人们预料的那样，XUV激光器在今后几年内发展顺利，那么它将提供光子能量大约为50 ~ 500 eV（波长25 ~ 2.5 nm）、功率在MW ~ GW范围内强大的单脉冲激光。对于那些讲究时间分辨力、强度、光谱纯度和相干性的场合，应用XUV激光器将会获得最佳的效果。
生物学软X射线显微学 关于激光等离子体单脉冲软X射线的应用研究，目前在软X#线保护膜上使用接触射线照相术，演示了高分辨力（50 um）的存活细胞的图像。激光源为获得更高分辨力和三维信息的全息图像提供了可能性，这是在研究生物学过程方面的重要应用。
晶体的衍射 以单晶的劳厄衍射为原理的分子结构分析是生物物理学的基础，但缺点是在衍射峰的相位上缺乏任何信息。一个相干的激光源可通过全息照相的方法获取更多的信息，更清晰、准确地了解分子结构。问题是激光波长要比待分析的分子结构线度小一个数量级才行，所以目前只能完成某些低分辨力的研究。单脉冲衍射测量瞬变现象将是可能的，例如在薄膜和表面中热和化学的变化，但这也要在晶体结构大于波长的系统中才行。
材料工艺 对于微电子学、集成光学或衍射光栅器件制造所需的亚微米线宽平版图案的全息照相制版，如果使用刼大的XUV激光源将会获得更细的线宽。
原子物理学 使用XUV激光的原子或离子束亚那秒选择激发或电离，为原子、离子和分子的高分辨力光谱学研究开辟了新的天地。这应用低能量区（hv≤50 eV）高功率输出的XUV激光器特别适宜，因为对于高光谱分辨力来说，足够的单脉冲输出和单色性是很重要的。
激光物理学 改善新型激光器的性能、改进谐振腔以及超短强大脉冲的产生方法、首次以XUV频率研究非线性效应等，都是相当令人感兴趣的。
非线性光学与光计算机
激光器问世以后，经过聚焦后的激光辐照密度可达到MW/cm2的数量级。在这样大的能流作用下，振荡电场的振幅很容易与原子内的场相匹配，以致介质的光学特性随着通过的光波而变化，呈现出非线性光学现象。非线性光学这门学科是1961年随弗兰肯（Franken）等人发现二次谐波的产生而创立发展起来的，布罗姆伯根（Bloembergen）和他的同事们则在理论上预言了一系列非线性光学效应。
在早期研究中，要大功率的激光才会引起非线性光学效应，当时认为用非线性光学元件构成光计算机几乎是不可能的。大约二十年以后，一束30 mW连续波激光在窄禁带半导体中显著的自散焦现象使人们得出了相反的结论。
数字光学与光路元件
从目前的实践来看，在通信领域里长途电话已经应用光纤，光学正通过这种方式开始动摇电子学的基础。对现有的技术来说还存在困难的那些领域，例如图像处理、识别和分类，雷达阵信号处理，机器视觉和人工智能等，光学的方法却是很有希望胜任的。但是至今由于缺乏光路元件而未能实现。
目前已研制出的一些实用光路元件是以光学非线性与反馈相结合为基础的。这导致出现了“光学双稳定性”的概念及其一系列器件，其中包括光逻辑门、双稳态存储器、放大器（有时称为光晶体管或transphosors）和功率限制器。1984年日本札幌召开的国际光学委员会的会议上，发表了六篇有关光计算机的论文，表明光学双稳定性已应用于光信息处理机中。最近召开的美国光学协会会议上报告了一台三单元环行处理器及其并行光计算的试验，该机使用液晶光阀作为非线性光元件，运算全部是光的相互作用。
Sz?ke等人1969年在一篇关于光双稳态器件的论文中提出，一个用可饱和吸收体作为隔离层的法布里 - 珀罗光谐振腔相同的输入强度下会呈现出两种发射状态。由于实现这个过程的条件是严格的，所以在过去的实验中事实上没有观察到光双稳态现象。直到1976年，吉卜斯（Gibbs）等人使用一台充有钠蒸汽的干涉仪观察到了双稳态发射。这个器件尽管仅消耗毫瓦功率，但与电路元件相比是既大又慢了。
在同一年，史密斯（S. D. Smith）与他的同事意外地发现了窄禁带的锑化铟半导体中的巨非线性折射现象，并推论：一是能制成微米线度的、速度在那秒范围内的双稳态谐振腔；二是可用一束光调节一小薄片半导体的光学参数，从而影响另一束做成光调制器或光晶体管。这两个可能性在1979年用连续波激光束照射锑化铟得到了证实，实现了稳态运转、良好的光双稳定性以及光晶体管的增益。
同时，吉卜斯等人也独立地报道了光双稳定性。他们是用脉冲染料激光辐照较大禁带的砷化镓半导体而获得的。可是由于这种材料吸收性较大而非线性较小，阻碍了稳态运转，因此这现象是准动态的，不能实现逻辑光平或差分放大的演示。
光计算机
在原理上，用非线性光器件可类似地再现电子学中的全部逻辑功能，因此有可能造出一台全光学计算机。以前大部分光计算系统是模拟式的，主要缺点是适应性差、噪声累积和输入/输出装置的限制等。要把二进制数字光计算发展成为一种新的实用技术是很困难的。科学家想尽量避免许多光 - 电子的相互转换，研制出全光计算机。可以分几个层次来考虑：首先是分立光逻辑器件（门或阵列）；然后考虑逻辑门之间、阵列之间、线路板或处理器之间的内部光通讯联接和输入/输出；最后考虑利用光特有的快速和并行性的优点设计新型计算机结构。
在实验室里，已经设计出不少光计算机的基本元件，包括存储单片、时钟、可编程序处理单元和简单的全加器。在光系统中，在把计算结果传递到下一级去之前，存储一下这个信号是很必要的，否则以光速传播将意味着全部元件同时被访问，这种延迟可以用以适当的顺序控制维持光束的方法来实现。目前带有光偏置延迟循环时钟的三单元环行处理器已经实现。由微型计算机控制的声光调制器提供了光平偏置和输入数据脉冲。
各国发展计划
几个合作研究小组正积极地专心致志地研究光计算机。在欧洲，主要的研究计划是全欧联合光双稳定性研究计划。这是一个关于光逻辑线路和光双稳定性的基础物理学的多国计划，参加者包括英国、比利时、西德、意大利和法国等国的八个大学和研究所。另外还有八个欧洲实验室参与了这项计划。该计划的大纲已于1984年由欧洲通信委员会制定，并经欧洲科学技术发展委员会批准。
美国目前有两个主要的联合研究小组。光路合作研究组（The Optical Circuitry Cooperative）是新近在亚利桑那大学成立的，它包括10个对光路感兴趣的美国公司。这个大学、这些公司以及国家科学基金会为这个五年计划提供了资金。美国五角大楼为了研制出第一台光计算机，最近注意力放在九个研究机构（其中包括七所大学）的联合组织上。这个联合组织将作为战略防御构想的一部分而获得经费。
日本的光计算机小组于1983年成立。当时的目的是为了给它的75个成员提供交换光计算机领域中的停息和意见的机会。该小组每年开会四到六次，并在体会期间出版通讯杂志（Opcom News）。这个小组与日本应用物理学会光学分会相互联系。
激光生物学和激光医学
所有生物医学的激光应用都是基于激光与生物组织的相互作用。最简单的是低强度激光被组织吸收、反射或再发射（荧光），组织内部不发生什么变化。这是激光生物学和医学诊断的原理。
紫外与可见光线能激发许多对于生物体重要的分子的电子态，导致在分子水平上发生光化学变化。兔用激光则有两个好处：一是激发速度快，能在皮秒时间内探查光生物化学反应；二是通过多光子过程可把目标分子激发到更高的电子态。
高强度的激光辐照能通过各种机理使物质损坏，例如熔解、强热、汽化和介质击穿等。它是激光处理材料的基础，并有效地用于外科手术。
激光诊断学
原子与分子诊断学应用激光的超灵敏度光谱分析技术可能探测单个原子或分子。它的高光谱分辨力和选择性一般容许直接测定样本的原子含量。这为分析人体器官（小至细胞）中的元素含量，揭示各种元素在新陈代谢中的作用提供了有效的手段。
在环境、生化检测分析方面，激光光谱技术特别有效。在应用激光以前，对黄曲霉素的检测灵敏度约为10-10 g，而分子的激光共振光致电离以及质谱仪使灵敏度提高了几个数量级。例如对于水中的色氨酸的检测灵敏度已高达10-14 g。
人体组织的吸收光谱和荧光光谱可用来诊断疾病。激光能容易地导入人体，聚焦在检查点，这就扩大了这种技术的功能。例如激光荧光支气管检查对于肺癌的早期诊断定位是有效的。这种技术使用一种血卟啉衍生物（Hpd）作为激敏物，使它集中于肿瘤细胞。该化合物在400 nm附近吸收光线，并发出红色荧光。激光荧光光谱还可用来诊断血管粥样硬化，它在血管外科学方面大有前途。
将来光声光谱学可用来确定眼内恶性黑瘤的位置，这是用聚焦的激光射线在眼内的一点产生超声，然后检测声源与回声之间的差异。
激光束能被聚焦成线度接近光波长的极小的光点，这个特性用于生物显微光谱分析。例如把一束强脉冲激光聚焦在生物体表面，能使一个大约1 μm3的标本汽化，变成原子和分子的离子形式；对这些离子形式进行质量分析，就能为人们提供这个生物体的分子和原子构成的信息。
使用可调谐低功率的激光，能在木损坏被试物的条件下，对材料的某一小面积进行拉曼散射、吸收和荧光光谱的研究，这已成为激光荧光检测技术的基础。例如测定发生于存活的单细胞或细胞器中的过程，其分辨力高达0.3 μm，时间分辨力为0.2 ns。这种技术能用于荧光测绘基因图，还可能直接观察DNA的基本结构、分析个体基因信息和早期诊断遗传病。
当前激光技术的新进展是测定稀有放射性同位素，它在生物体新陈代谢作用的研究中大有用武之地。
皮秒级的激光脉冲可广泛用来研究光合作用的基本过程，观察血红蛋白、DNA和其他对于生物体重要的分子的生化反应。
宏观诊断学最有效的生物医学激光应用之一是流动细胞测量。精确地测量它们的光学性质（特别是激光诱发荧光特性），就能快速地分析和识别哺乳动物的单个细胞。另一应用是根据多普勒效应测量血管中血液的流速。今后激光一一多普勒技术还会进一步扩大应用，如测定细菌或精子的流动性，进行细胞和细胞器的电泳等等。
随着激光器的出现，光学中最重大的发明之一就是全息照相术。因为用它可以获得生物体的三维图像，所以全息照相术已成为一种强有力的诊断方法，它已开始影响到医学的许多领域，包括矫形学、放射学、眼科学、泌尿科学以及耳科学等。
激光外科手术
用激光进行手术有许多优点：一是不接触损坏的细胞组织，手术可绝对无菌；二是适当遶择波长可获得一定的光损坏选择性，以适应被切除组织与周围组织在吸收光谱方面的差异；三是能产生从低热条件下无蒸发的液化到强光加热引起流体动力学激波破坏的不同碎效应；四是良好的聚焦性，可进行亚细胞水平上的细微手术。
随着技术的进步，激光外科的范围正不断扩大。目前已能通过插入血管的光纤把手术激光传送到人体内。激光血管学技术利用一根纤维光导管把激光通到血管动脉粥样硬化的堵塞区（蚀斑），为了使它汽化应发射足够大能量的激光，如用一个3 ~ 4 W的氩激光器辐射几秒钟（对含碳酸钙的蚀斑则需30 ~ 40 s）。
激光辐射的锐聚焦（细微光束技术）使得有可能有目的地改变单个存活细胞中亚细胞的细胞器的某个部分。这为细胞和进化生物学开辟了新的领域，如染色体显微手术、有丝分裂的细胞器和细胞质手术等。此项技术已渗透到遗传工程中，它为科学实验者提供了一把激光微手术刀，能在细胞壁上穿一个亚微米的微孔，来自周围溶液中所期望的基因就能通过这个微孔进入细胞，然后在几分之一秒内这个孔重新愈合。激光的作用真是奥妙无穷。
[Nature，316卷1985年7月25 ~ 31日]
__________________
* 激光技术的另一前沿是自由电子激光器，在这一期中没有述及。另外，这里介绍的应用也仅是几个主要的方面。——编译者注