[摘要]美国实验和理论物理学家、发明家和教育家查尔斯·汤斯是微波激射器（Maser）的主要发明者和激光器（Laser）的先驱者之一，与前苏联（现俄罗斯）物理学家和微波波谱学家巴索夫以及普罗霍罗夫分享1964年诺贝尔物理学奖，还与多人共享“激光之父”之美誉。激光技术是20世纪人类的重大技术发明之一，为了纪念汤斯教授逝世1周年并寄托笔者的深情哀思，特撰写出此长文。笔者在此全面介绍了汤斯教授的生平与家庭成员；主要学术成就与贡献；与中国的渊源以及所获雅称、奖项与荣衔，重点梳理出激光技术波澜壮阔发展历程的整个脉络和概貌，还顺便简介了并非激光器的半导体发光二极管（LED）的发展概况，简明扼要地阐述了诺贝尔自然科学奖中与激光技术密切相关的有关情况。
[关键词]查尔斯·汤斯；能级（能态）；跃迁；受激辐射；微波波谱学；核磁共振；拉比树；粒子数反转；微波激射器（Maser）；量子电子学；工作物质（增益介质）；泵浦源；光泵浦；光谐振腔；激光（Laser）；红宝石激光器；激光技术；光纤通信（光通信）；网络；全息摄影术；精密测量；激光冷却技术；玻色—爱因斯坦凝聚态（BEC）；发光二极管（LED）；发明专利；诺贝尔自然科学奖
[DOI]1013939/jcnkizgsc201614173
210全息摄影术发明简史
全息摄影术（holography）又称全息照相术，是一种利用光波的干涉原理以记录被摄物体反射（或透射）光波的振幅（强度）和相位信息并使之再现的专门照相技术。通过一束参考光和被摄物体上反射的光在感光胶片上叠加产生干涉条纹而形成。为了满足光的干涉条件，通常需要采用相干性好的激光作光源，且参考光束（reference beam）和物光束（object beam）要求是从同一束激光经分束器（beam splitter）分离出来的高度相干光。感光胶片显影后成为全息图（hologram，即全息照片）。全息图不仅记录被摄物体反射光波的振幅，而且还能记录反射光波的相对相位。全息图并不直接显示物体的图像，在普通光源下看到的外观仅是干涉条纹，用一束激光或单色光在接近于参考光的方向入射，可在适当的角度上观察到原物体的立体图像（实像或虚像）。这是因为激光束在全息图的干涉条纹上衍射而重现原物体的光波，再现的图像具有三维立体感且十分清晰。因在摄制全息图时感光胶片上每一点都接收到整个物体反射的光，故全息图的一小部分就可再现整个物体。用感光乳胶厚度等于几个光波波长的感光胶片，可在乳胶内形成干涉层，这样制成的全息图可用白光再现（广泛应用于制作防伪标识）。如果用红绿蓝3种颜色的激光分别对同一物体用厚乳胶感光胶片摄制全息图，经适当的显影处理后，在白光（太阳光或灯光）下可观察到有立体感的彩色全息图。全息摄影术还可用于微波、红外线、电子波、声波（含超声波）和X射线等。
全息图的种类繁多，有许多不同的分类方法。如反射全息图（可用白光再现）和透射全息图（除平面全息图和彩虹全息图以外，一般只能用单色光再现）、平面全息图和体全息图、同轴全息图（如盖博全息图）和离轴全息图以及振幅全息图和相位全息图等。全息摄影术主要应用于全息三维记录和显示、全息电影和电视、全息光学元件（如全息透镜、全息光栅、全息滤光片、全息扫描器和全息分束器等）、全息显微术、全息信息存储和处理、全息干涉计量（如物体微小的形变和位移计量、无损检测和场流分析等）以及军事技术等方面。全息摄影目前主要有立体全息摄影和单面全息摄影2种方式。
1933—1948年盖博任汤姆森—休斯顿公司（位于英格兰沃里克郡拉格比Rugby）研发工程师，从事提高电子显微镜分辨率（当时技术可达到的理论值是04 nm，实际上只能做到12 nm）的研究工作，受塞尔尼克在研究透镜像差时使用相干背景来显示相位（1938年）和劳伦斯·布拉格采用两次X射线衍射使晶格的像重现（1939年）的工作启发，1947年复活节（4月6日）那天，他灵机一动，完全抛弃传统的电子显微镜物镜（由若干个透镜组合而成的一个透镜组）成像原理，首先构思出一种全新的两步无透镜成像原理——波前重建（wavefront reconstruction，即波阵面重建）理论并获得英国专利：[1～2]设想用经物体衍射的电子波与相干的背景波相重叠，将物体衍射波的振幅和相位以干涉条纹的方式记录在介质（如感光胶片和全息干板等）中。在波阵面记录过程中，引入适当的相干参考光波与物光波进行干涉，用介质记录下干涉后未聚焦的电子波，得到的干涉图样即全息图。在波阵面再现过程中，用参考光照射全息图，衍射光波中包含了物光波，从而再现了原物体的三维立体图像。
盖博首创的波前重建理论为全息摄影术的诞生奠定了理论基础[3～5]，1948年他利用光频很窄的高压石英汞灯（1927—1933年盖博在柏林西门子—哈尔斯克公司任研发工程师时发明）发出的可见光代替电子波，首次获得一张不太清晰但又包含所有信息的全息图及其再现像，标志着全息摄影术的正式诞生。1950年苏格兰邓迪大学学院物理学家罗杰斯（Gordon LRogers）进一步地丰富了波前重建理论并制作出首张相位全息图。[6]因当时无理想的相干光源，受同轴全息孪生像的干扰，成像质量很差。1952年美国籍墨西哥裔物理学家贝兹（Albert Vinicio Baez，19121115—20070320）将全息术思想推广到X射线领域，医学和生物学研究利用X射线全息术可把最细微的病菌分子显示出来。
1960年激光器的发明给全息摄影术带来了新的生命。激光是一种单色的高强度相干光，是制作全息图最理想的光源，借此全息摄影术才有了实质性进展并实现实用化，它的迅速发展使其成为现代光学（其进展主要集中体现在4个方面：信息光学、激光、非线性光学和光电子学）中一个十分活跃的分支。1962年密歇根大学雷达实验室的电气工程师利思（Emmett Norman Leith，19270312—20051223）和乌帕特尼克斯（Juris Upatnieks，19360507—）将通信理论中的载频概念推广到空域，单独引入分离的斜参考光束，利用氦氖激光器发明了离轴全息术，成功地得到首张实用的激光全息图[7]，这是全息摄影术的重大突破，为其发展和应用开辟了广阔前景，标志着全息摄影术已步入成熟时代。1964年他俩又提出漫射全息图的概念，利用漫射照明制作出激光透射全息图，首次得到生动逼真的三维物体的清晰立体再现像。1963年盖博在美国麦克唐纳—道格拉斯电子公司研制出一种可摄制与物体同样大小的全息摄影显示器，通过它拍摄出来的照片具有惊人的立体感，与实物的区别仅仅在于你不能用手触摸到他，故这种照片最初被称作“幽灵”。