激光的概念

受激輻射1916年，愛因斯坦在論述普朗克黑體輻射公式的推導中提出受激輻射概念，相關論文《輻射的量子理論》發(fā)表在德文《物理學年鑒》上。他在玻爾能級理論的基礎上進一步發(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：能量交換和動量交換。然而，愛因斯坦并沒有想到利用受激輻射來實現光的放大。因為根據玻爾茲曼統(tǒng)計分布，平衡態(tài)中低能級的粒子數總比高能級多，靠受激輻射來實現光的放大實際上是不可能的。

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，美國哥倫比亞大學的湯斯（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計方案。1953年12月，湯斯和他的合作者以及學生成功研制了第一臺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和紅外波段實現這種受激放大器，并給出了光學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）獨立進行類似的研究工作。湯斯也因此和巴索夫、普羅霍洛夫一起分享了1964年諾貝爾物理學獎。名師出高徒，2020年諾貝爾物理學獎得主之一根策爾（Reinhard Genzel）的博士后合作導師正是湯斯。更有意思的是，激光在根策爾獲諾獎的銀河系中心超大質量黑洞相關工作中發(fā)揮了關鍵作用，這可能是湯斯本人都沒有想到的。

1960年7月7日，美國科學家、休斯實驗室的梅曼（Theodore Maiman）根據湯斯等人的理論發(fā)明了第一臺激光器，此時，距離愛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《物理評論快報》（Physical Review Letters）后，不料竟遭退稿！于是梅曼在1960年7月7日在紐約學報上宣布了這一消息，不久又將結果以簡報的形式在Nature上發(fā)表。直到第二年，《物理評論》（Physical Review ）才發(fā)表他的詳細論文。

激光的中文取名

1961年，中國大陸第一臺激光器在中國科學院長春光機所由王之江等研制成功。但當時中國并沒有激光一詞，中國科學界對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，不利于稱呼。還有一些音譯，如“萊塞”或者“雷射”。

1961年我國研制的第一臺紅寶石激光器

命名的混亂給科學界、教育界帶來極大的不便。1964年冬天，中國全國第三屆光量子放大器學術報告會在上海召開，研究并通過對專有名詞的統(tǒng)一翻譯和命名。會議召開前，《光受激發(fā)射情報》雜志編輯部給中國著名科學家錢學森寫了一封信，請他給Laser取一個中文名字。不久，錢學森回信建議命名為“激光”。這一名字表現出光的本質、又描述了這類光和傳統(tǒng)光的不同，“激”體現了受激發(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)星激光測距

自出現以來，激光就被廣泛應用于各行各業(yè)。早在70年代，激光測距就被用在天文學領域。隨著1969年阿波羅11號登陸月球，地面激光測距站就通過阿波羅11號安置在月球表面的后向反射鏡測量精確的地月距離。

安裝在月球表面的反射器

衛(wèi)星激光測距（SLR）和月球激光測距（LLR）使用短脈沖激光和最先進的光學接收器和定時電子設備測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間（以及距離）。

衛(wèi)星激光測距示意圖

如今國際激光測距服務（ILRS）組織的合作觀測站遍布全球，并與各國的組織機構相互合作，提供全球衛(wèi)星和月球激光測距數據及其相關產品，以支持大地測量和地球物理研究活動，以及對維護準確的國際地球自轉和參考系統(tǒng)服務（IERS）。

ILRS收集、合并、存檔和分發(fā)足夠準確的衛(wèi)星激光測距和月球激光測距觀測數據集，以滿足廣泛的科學、工程、操作應用和實驗的目標。ILRS使用這些數據集來生成許多科學和操作數據產品，包括：地球方向參數、ILRS跟蹤系統(tǒng)的測站坐標和速度、時變地理中心坐標、地球重力場的靜態(tài)和時變系數、厘米精度的衛(wèi)星星歷、基本物理常數、月球星歷和天平動、月球方向參數等。

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

NASA網自二十世紀七十年代起組建，目前有9臺儀器，分布在美國本土、南太平洋、南美洲以及澳大利亞等地，技術先進，測距精度高，觀測數量約占全球常規(guī)運行的40多個站的一半，長期處于國際SLR界的領先地位。Lageos衛(wèi)星單次測距精度為1－1.5厘米(@1000公里，下同)，其中MOBLAS由于回波很強，精度高，可達7－8毫米，處于國際領先水平。

歐洲網成立于1989年，現有18個站，歐洲臺站的天氣情況不如美國和澳大利亞，觀測數量相對較少，但在衛(wèi)星預報方面有獨到之處，英國RGO（現改名為NERC）的衛(wèi)星預報精度很高，已廣泛用于全球的SLR站。奧地利Graz站硬件比較先進，Lageos衛(wèi)星單次測距精度8毫米，歐洲第一。

西太平洋SLR網成立于1994年，成員有：中國、日本、澳大利亞、俄羅斯和沙特阿拉伯，共15個站。日本Keystonede 在1999年已實現比較穩(wěn)定的白天測距，測距精度達到1-1.5厘米；俄羅斯的SLR站很多，單次測距精度約4-6厘米。

中國SLR網有5個固定站和2個流動站，1971－1972年華北光電所（與北京天文臺合作）和上海天文臺（與上海光機所合作）在國內最早開始SLR試驗。第一代系統(tǒng)采用紅寶石調Q激光器，單次測距精度1－2米。1980年，上海天文臺將測距精度提高到20－30厘米；1983年，由中國科學院牽頭，實現單次測距精度15厘米；到1997年，我國激光測距精度提升到1-2厘米，達到世界主流水平。

目前，中國SLR網由上海天文臺、長春人衛(wèi)站、云南天文臺、北京房山站、武漢測地所、武漢流動站、西安站、阿根廷站等組成。中國各個臺站的激光測距數據質量逐年上升，其中長春人衛(wèi)站激光測距數據數量與數據質量常年位居世界前三。

全年激光測距觀測數貢獻情況

近年來，我國在激光測距方面取得了多項進展。中山大學與中國科學院云南天文臺合作，升級昆明的衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)，于2018年1月22日實現中國首次地月距離激光精確測量，也使我國成為世界上第五個擁有此項能力的國家。

同時，中國的激光觀測也在逐步實現全國產化，目前激光發(fā)射器、激光控制器已實現國產化并達到世界先進水平，激光接收器的國產化也在逐步推進，預計2021年能完成設計指標。

2020年9月28日，中國科學院紫金山天文臺和上海天文臺聯(lián)合利用改造后的青海觀測站1.2米量子通信光學望遠鏡，成功實現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）的高精度激光測量，最遠測量距離超過4萬公里，測距精度優(yōu)于1厘米。

德令哈量子通信望遠鏡激光測距實驗

百年來，科學家與工程師們一起，逐步揭示了激光的神秘面紗。激光的應用也從專業(yè)領域逐步走向大眾生活，無論是ipad上安裝的激光攝像頭還是無人駕駛汽車使用的激光測距，都預示著激光在未來將會有著更廣泛的發(fā)展和應用。