[摘要] 本文通過對激光從發明到應用過程中幾個重要問題的歷史考察，論述在一個具體技術領域的產生和發展過程中，科技、經濟和軍事的動力共同發揮著作用；闡明在這一過程中，科學與技術的關系不是簡化的、線性的關系，技術發明不是從科學發現直接導出的。科學與技術之間存在著多種多樣的相互作用：不僅新技術的產生依賴于科學知識，而且，在新技術建立之后，技術的發展又為科學研究提供了強大的動力；說明新技術應用的不確定性不僅僅在于技術本身，而且在于社會如何運用已建立的技術能力。最后，本文指出：（1）基礎研究和應用是相互作用和相互纏繞的，因此應重視設計激勵兩者互動的政策；（2）從科學的角度來看，新的科技突破是激動人心。從經濟和社會發展的角度，更重要的問題是如何開發利用新的科技突破

[關鍵詞] 激光，科學和技術的關系，新技術的應用，不確定性，微波激射器，

1960年，世界上第一臺激光器誕生。激光是一項根本性的突破。激光技術的發展，極大地帶動了相關科學研究的蓬勃發展，帶來了遍及社會和經濟生活各個領域的廣泛用途。到如今，已有六次諾貝爾物理學獎授予了工作在微波激射器和激光領域的科學家：Nikolai Basov， Alexander Prokhorov 和Charles H.Towens（1964）；Dennis Gabor（1971）；Arno Penzias 和Robert Wilson（1978）；Nicolaas Bloembergen 和Arthur Schawlow（1981）Norman Ramsey（1989），Steven Chu(朱棣文) ，Claude Cohen-Tannoudji和 William Phillips（1997）。四十年來，激光廣泛地應用于國防、通訊、醫療、工業應用、出版業、科學和工程研究、環境監測、精密測量、服務業（如超級市場柜臺的讀條碼）和家庭娛樂（如CD機）等各個領域。像蒸汽機、機械工具、電氣（發電機和電動機）、晶體管、計算機這些根本性的創新一樣，激光是一項通用技術（General purpose technologies， GPTs，[1] ，p65），它提供了可以在大量實際領域應用的技術能力，對科學技術和經濟社會的發展都具有極其深遠的影響。

激光的歷史，蘊含著豐富的科技政策議題，是我們認識和理解20世紀科學技術發展及其與社會相互作用的一個極好案例。本文以歷史發展為基礎，探討激光從發明到應用的幾個重要問題：技術發明依賴于科學的方式；技術的建立與激光共同體的形成；技術進化的方向和軌道；技術的不確定性和應用。據此，對科學與技術的之間互動關系以及新技術在社會經濟中的應用做一結論。

1． 是什么使激光出現的

——技術發明是如何依賴科學知識的

激光（Laser， light amplification by stimulated emission of radiation ）發明于1960年，其前驅——微波激射器(Maser ，microwave amplification by stimulated emission of radiation )發明于1954年。 從歷史發展來看，激光是把微波激射器的原理從微波領域自然推廣到可見光而產生的。兩者都是基于受激輻射原理。受激輻射的概念是由愛因斯坦在1916年提出的，到30年代，物理學家已經認識到受激輻射會帶來放大效應。也就是說，發明激光的概念要素在20世紀30年代就已充分提出來了。那么，自然要問：為什么激光沒有在30年代就發明?？特別是，為什么激光不是在微波激射器之前，而是在之后被發明出來？

這樣的問題預設一種邏輯：科學發現自然會帶來技術突破，或者技術突破是從科學原理中直接導出的。這樣一種思想是事后的邏輯重建。按照這種邏輯給出的一個答案自然會是這樣的：“人們花了20年的時間擺脫了老的、傳統的產生電磁波的想法，找到了實現它們全新的、革命性的途徑，就象常在這些例子中出現的，當時機成熟時，許多科學家幾乎就會同時得到同樣的想法。”([2]， Pxi，著重體為引者所加）。“時機成熟”一詞，掩蓋了對技術發明依賴于科學知識方式的無知。讓我們來看一看實際的情況。

從歷史發展來看，微波激射器的發明是由分子光譜學的研究問題產生出。?二戰期間，由于雷達的需要，分子光譜學得到興旺發展，研究前沿向更短的波長領域推進，以達到更高分辨率的目標。 ([3]，PP39-40) 戰爭結束后，美國軍方對毫米級波譜學的研究工作保持著強烈的興趣，因為其方便的部件可以用于減少導彈的重量、設計安裝在坦克和潛水艇上的輕量級短波雷達、以及用于提高短波通訊的安全性。1946年，由美國海軍研究辦公室、陸軍通訊兵和空軍聯合建立了聯合電子學服役計劃（the Joint Services Electronics Program， JSEP），提供資金和儀器，共同支持“二戰”期間的電子學研究實驗室，目的是平行地開展軍方需要的研究和光譜學家感興趣的研究，并期望兩者能得到交叉利用。JSEP最初支持的四個實驗室是：哈佛輻射實驗室，MIT輻射實驗室（重組為電子學研究實驗室），哥倫比亞輻射實驗室和斯坦福電子研究實驗室。在當時冷戰的氣氛下，美國科學家把基礎研究和軍事應用結合在一起來做，是很普遍的現象。1951年，在微波激射器的思想提出之時，微波激射器和激光的發明人 Charles H.Towens就在哥倫比亞輻射實驗室，受軍方的資助，從事分子光譜學和微波的基礎研究。1954年，Townes和他的學生 J.Gordon H. Zeiger合作用新的放大原理產生了第一臺微波激射器。之后，Townes把微波激射器的研究原理推廣到可見光領域，帶來了激光的發明。

我們從微波激射器發明的故事（[3]，PP54-59）可以知道，Townes是在苦苦思索當時困擾的難題——常規的微波源（電子管、速調管、磁電管等）對毫米和亞毫米范圍無能為力時，靈感突現，想到用共鳴振蕩器來保持受激輻射，從而實現放大作用。在當時，物理學家熟知受激輻射已經有三十多年了，也知道受激輻射會產生放大現象，但是實驗顯示很困難。由于受激輻射可以很好地被其他物理效應確定，放大效應沒有被認真對待；（[4]，P547）當時物理學家的興趣沒有顯示出把受激輻射和相干的放大技術聯系起來，1951年前物理學家發表的文章情況證明這一點。（ [5]，P18）而工程師對于振蕩器也有著相當的了解，但并不熟悉量子力學的概念。Townes的成就部分在于他跨越了物理學和工程的學科界限，把通常不會聯在一起的兩個概念聯在一起。從Townes的經歷中，我們可以看到，在“二戰”期間，作為貝爾實驗室的物理學家，通過參與研制雷達的工作，Townes學到了大量的工程知識，并十分熟練地掌握了微波工程的技巧（[3]，PP40-41，P43）；同時，制作雷達提出的微波與物質（特別是氣體）相互作用的問題，使Townes對分子光譜學發生了濃厚的興趣。Townes回顧說：“制作雷達的實際工作打開了一個全新的物理學領域”。（[3]，P41）戰爭一結束，Townes即決定從工程重返物理，從事微波光譜學和分子共振的研究。他向貝爾實驗室的管理層提議開展分子光譜學研究， 但沒有得到積極響應。于是，Townes來到哥倫比亞大學，在JSEP的資助下， 按照自己的路線堅持探索。作為一個光譜學家，努力探尋輻射發生器技術（相干產生技術）一直激勵著他。微波激蕩器產生于工程與物理學觀念的結合，用Towens的話說，需要結合工程和物理學的知識和本能（[3]，P71）。這種特征在另外三個獨立的微波激射器奠基人身上同樣也表現得相當明顯： 蘇聯的微波激射器先驅N.G.Basov， A.M. Prokhorov也是無線電和微波光譜學家。Joseph Weber則以微波工程師開始其職業生涯的，當他后來回到天主教大學學習，聽到Karl教授關于受激輻射的講演時，即想到這可以應用到微波放大。（[5]，P20）

我們可以說，微波激射器，它的產生是基于受激輻射原理，但不是從這個原理直接推出的。是技術問題——即戰爭期間的雷達研究，把許多物理學家帶入量子力學和電學工程的結合地帶——微波和無線電波譜學領域，并提出了新的科學問題。在解決新的科學問題中，科學家把技術目標與已知的科學原理結合起來，得出了微波激射器的觀念。

微波輻射器是一個全新的、革命性的產生微波的方法。它的成功，證明了受激輻射原理技術應用的可行性。由此，用同樣的方法產生可見光的放大——激光，即是很容易想象的。

2. 技術的建立和激光共同體的形成

2．1 技術的建立

把微波激射器的原理，擴展到毫米和亞毫米區域、甚至更遠的紅外和可見光線，以產生相干光輻射，是一個合理的跳躍。微波激射器發明之后，許多科學家設想和討論過紅外和光學激射器的問題。1957年， Townes與貝爾實驗室的 A.Schawlow開始合作，當時Townes在貝爾實驗室擔當顧問。 經過一年多的工作，1958年8月，Schawlow 和Townes在貝爾實驗室提交專利申請之后，把他們的手稿送到《物理學評論》。同樣12月，這篇題為《紅外和光學激射器》（Infrared and Optical Masers）的論文發表，提出了建造激光的思想。?這篇論文對美國的激光發展產生了深遠的影響。在正式發表之前，這篇論文已被復印，在哥倫比亞大學和貝爾實驗室競相傳閱，敲響了一場大競賽的起跑槍。

當時正值蘇聯人造地球衛星發射不久，美國傾注了大量的科研資源，并對科學家提供了前所未有的榮譽和自由來從事科研工作。在這種宜人的氣氛中，哥倫比亞大學、貝爾實驗室、 技術研究公司（TRG，Technical Research Group ，由國防部出資在50年代建立的公司）、IBM、Hughes航空公司和美國光學公司，競相投入建造第一臺激光器的競賽中。

1960年5月16日，Hughes研究實驗室的T.H.Maiman造出第一臺紅寶石激光器，這一成就既出乎意料，又鼓舞人心。很快，IBM的P.Sorkin和M.Stenenson發明了鈣氟化物晶體激光器，A.Schawlow和G.Devlin證明暗紅寶石可以用來做激光器，特別是，第一個連續運行的電泵浦的氦氖激光器在同一年底由貝爾實驗室Javan，Bennett和Herriott建造成功。這樣，不僅只有一種類型，而且有四種不同類型的激光運行成功

1960年的第一批激光發明器，不僅實現了Schawlow ， Townes和Gould在1958年的理論設想，而且，研究者對許多材料作了詳盡的研究，而不是僅僅限于Schawlow和Townes討論的鉀蒸汽，他們確定了這些材料實現粒子數反轉的要求；同時他們建立了可以滿足這些要求的泵浦源。這樣，一種全新的技術就建立起來。

2.2 激光共同體的形成

激光，具有十分不同于普通光的奇異特性。普通光源的原子或分子發射的光子是各不相干、雜亂無章的。而在激光器中，在受激輻射的作用下，光子與受激發的原子相互作用，可以發出另一個狀態（頻率、相位，方向和偏振態等）相同的光子，這樣的作用反復進行，產生出相干的放大光，具有高定向性、單色性和高相干性等鮮明特點。因此，激光不僅打開了一個全新的科學研究領域，也開辟了廣泛的應用前景。隨著第一批激光器的誕生，激光研究迅速“熱”起來，很快吸引了遠遠超出最初研制激光的一小群研究者之外的各種相關角色的積極響應和參與，形成了促進激光技術發展的共同體。

科學動力

激光打開了一個全新的領域， 有待于發現的有趣的和重要的現象像一片新大陸展現在科學家的面前。許多科學家回憶起當時的情景，對于會發現新的和具有重要意義的東西所帶來的那種激動人心的感覺都記憶猶新。（[5]，P97）激光研究成為獲得職業承認的最好途徑之一。

隨著第一批激光器的建造成功，激光研究出現繁榮局面。1960年，美國和歐洲的激光研究組的數量大約在25-50之間， 僅兩年之后，單單在美國就有500個（[6]，P800）。

開創激光研究領域的研究者，大多是已在微波激射器領域工作多年的物理學家和工程師，后來對激光感興趣的其他領域的物理學家積極加入，特別是半導體領域的研究人員進入，對激光科學技術的發展產生了很大的推動作用。隨著激光技術的發展，越來越多其他學科（如化學）進入，激光研究成為一個多學科交叉的領域。許多工作常常是不同學科的人一起組成team work完成的。例如，激光共振器理論是一個由物理學家、工程師和數學家合作發展的理論。（[7]，PP158-161，；[8]，PP276-277；[9]，PP126-127）

值得注意的是，在激光作為一個新的研究領域的產生和成長過程中，職業協會起到了重要的作用。激光的一個突出特征是創造了古老學科之間的新鮮聯系。微波激射器創造了物理學和電學工程之間的聯系，而激光則進一步加強了同光學之間的聯系。 相應的三個學科共同體：物理學、電學工程和光學的科學家都積極介入激光的研究。認同自己為從事激光研究的科學家不斷增多，對其所屬的職業協會產生積極效果不斷增強。職業學會把支持激光研究作為其職責承擔下來。通過會議和促進出版等活動提高研究興趣和促進新觀念的產生交流，職業學會自身就變成了激光研究的支持制度。美國光學學會和無線電工程師學會（即后來的電學和電子工程師學會（the Institute of Electrical and Electronics Engineers（IEEE）），從一開始即按照各自的目標，從不同角度積極支持激光研究和成果應用。他們雖然存在著競爭，但開始就合作得很好。第一屆量子電子學會議是由海軍研究辦公室資助的，后來的會議則是由一個或幾個協會聯合資助的，如1986年國際量子電子學會議是由美國物理學會、IEEE、美國光學學會和歐洲物理學會聯合資助的。

經濟動力

從激光“熱”的開始，公司就積極介入激光的應用和發展。 在激光發展的初期，工業研究實驗室對激光研究投入了大量的資源。 工業研究實驗室的管理層出于不同的動機支持激光研究，一些認為激光可能最終會為公司下一代技術的產生奠定基礎（如貝爾實驗室的管理層認為光學通訊可能是繼衛星通訊的之后又一飛躍）；一些公司把激光當做更好的工具；一些公司明顯地受國防部的利益驅動，希望能到軍方的合同；一些公司只是要跟上這個新技術的進展。據統計，1962年有400家公司在進行某種形式的激光研究，其中10-12個是規模很大的。（[5]，P99）

同時，在激光器發明之后不久，激光的商業化迅速興起。早在1961年，一些公司即開始將激光推向商業市場，這些可以利用的激光器加快了大學、工業和政府機構的研究進程。

60年代美國的風險投資狀況非常好，政府的采購和財政政策都對小企業創業有著特殊的優惠條件。到1963年，美國已有20-30家激光公司進入市場。除了一些大公司（如Hughes）外，由科學家創辦的小公司發展迅速，如Spectra-Physics是由五個有著科學家和工程師背景的企業家二次創業所建立的，后來成為美國最大的激光制造商；Korad則是T.Maiman在發明紅寶石激光器后不久離開Hughes創立的，代表著經典的科學家創辦企業的模式。

激光制造商，在推進激光進入市場的過程中，不僅推進了技術的改進，而且也為可能會擴展市場的新的應用貢獻新的思想。

軍事動力

激光出現之后，美國軍方反應高漲：“幾乎沒有空軍、陸軍和海軍機構不正在支持、或討論在近期資助某些類型的光學激射器的基礎研究，或應用研究，或實驗發展” （[10]，P36）。 軍方對激光研究了提供大量的資金，并提出應用的目標。各軍種感興趣的不一樣：空軍的興趣在太陽能激光、激光通訊系統，空間物體識別和跟蹤系統，陸軍的興趣在導彈導航和高能量武器。軍方的錢主要投到合同實驗室，但同時對大學的研究也提供了強有力的支持。軍火研究辦公室（the office of Ordnance Research）向23所大學“為激勵國防定向的現代光學研究”捐款272萬美元，并提供儀器設備，這極大地促進了大學研究的發展（[10]，P38）。1961-1963年列在《物理學文摘》的51篇激光論文，有41篇(即80%)至少得到國防部的部分支持（[5]，P102）。

最大的激光項目是國防部的高級研究項目處（Advanced Research Projects Agency ARPA）資助的。這個機構支持具有高回報率的風險項目，曾對于半導體和計算機的發展起到了很大的扶持作用。

激光發展的不同動力，不僅吸引了不同利益的各種角色的積極參與，也創造他們彼此之間的聯系。通過咨詢、合作研究，大學科學家與工業科學家聯系在一起。通過國防部和以及后來NASA（美國國家航空航天署）的支持，大學科學家與國防部和其他政府部門的R&D機構聯系在一起。工業科學家和工業經理通過國防部的合同和咨詢任務與政府聯系在一起。小激光公司依靠大公司的研究成果的許可以及資本來源，與大型的工業實驗室聯系在一起。作為回報，他們提供大公司用于研究和生產的儀器，同時與他們進行聯合應用研究。職業協會與大學科學家、與工業（通過個人和集體會員）、與國防機構通過聯合資助會議聯系在一起。這一切聯系又由激光科學家的流動相互加強。

激光共同體是一個“科學-經濟-軍事共同體”，各方目標和利益相互作用，共同推動著激光的發展。

3. 技術的進化

3．1 技術進化的方向和軌道

第一批激光器的誕生，證明了激光行為的可行性，同時為隨后的發展提出了需要解決的問題：除了Javan 的氦氖混合氣體，Maiman的紅寶石以及Stevenson 和Sorokin的鈣氟化物晶體，還有什么材料可以做激光？除了光學泵浦，是否還有第二種可行的激發方法？如何分析光的相干性質？通過激光束產生的強大電磁場可以對無機和生物材料產生什么效應？激光在物理化學和生物實驗有什么用途？

這從多種途徑塑造著激光的發展方向，對材料和受激方法的研究帶來不同種類的激光：半導體激光，離子激光和化學激光等，而對激光的性質和效應的研究則反過來進一步促進了激光技術的發展。（[11]，PP27-28）

到1963年，早期各種各樣的激光器運行，顯示出激光在波長、輸出總能量、能量峰值、泵浦方法、操作適用溫度和效率等多種多樣的性質。為了提高激光的能量和達到其他的性質，一個明顯的方法就是創造新的激光。例如，最早的氣體激光能量有限，貝爾實驗室C.K.N.Patel第一個想到原子能量有限，于是嘗試用分子，由此他發明了二氧化碳激光器。這是第一個高能量激光器。

在這種戰略之下，新的激光類型不斷出現。1965-1968年已經有100多種新的激光出現。每當一種新的激光類型出現，科學家的研究就會集中在其中有前景的幾種，從中選出最好的一類。這樣，氬離子激光器成為最好的離子激光器，二氧化碳激光器成為最好的分子激光器，大量的研究圍繞著它們進行，成為應用研究和發展的焦點，也為新公司的誕生創造了前景。

在創造新激光的技術發展軌道中，研究者的動機逐漸顯示出受到潛在應用的影響。早期的發明經常只是獲得新的光線和新的類型的物質。但是進入1963和1964之后，研究者開始指導自己發現激光的特殊性質。例如，Spectra-Physics的創始人之一和實驗部主任William Bell-在改進氦氖激光器的研究中，偶然發現水銀離子可以產生比通常紅光更短的綠光。耶魯大學的W.Bennett深受這一發現吸引，因為更短的波長具有特殊的用途，如美國海軍需要用藍綠的激光用于海底通訊和探測潛水艇與水雷，由此， Bennett發明了重要的離子激光器——氬離子激光器。

在激光的發展中，潛在用戶的需求通過多種交流渠道（個人之間的交流和組織之間的seminar，各種形式的論壇等），傳遞給關心應用的科學家（[5]，p180）。這樣，在研制激光裝置的科學家之間，就會對于某種期望的需要形成一致的看法，研究就會向著期望的方向前進。許多性質不只有一種用途，比如，高能量對于激光武器和工業工藝都有用。這樣，有前景的新型激光器的不斷出現，極大地開辟了激光可能的應用范圍，同時也吸引潛在用戶的進一步支持。例如，連續運行的二氧化碳激光器的出現，對反導彈武器的研制創造了條件，引起了ARPA對激光更大的熱情，也開辟了快速切割非金屬材料（例如布）的前景，刺激工業界投資應用研究。

3．2 工業研究實驗室的作用

在激光的發展中，工業研究實驗室不僅在創造激光源，而且在推進激光技術的發展上都起著極其重要的作用。其中著名的如AT&T 貝爾實驗室，IBM，Hughes等公司的實驗室。（參見[12]，[13]，[14]）

工業研究實驗室的制度可以有效把需求和機會、科學和應用結合在一起。具體來說，工業實驗室的作用表現在幾個方面：（1）對具有潛在利潤和回報領域的投資。貝爾實驗室投資激光的一個直接結果是第一個使氦氖激光成功運行，這不僅是有著出色的年輕科研人員的努力，管理層的全力支持也是一個重要的因素。當時氣體激光器的應用并不是那么明顯，管理層設立這些項目的動機是最終的應用、市場和國防部的合同；（2）公司的激勵制度引導研究與應用的結合。研究組常常或明或顯地受著雙重目標的指導：對基本原理的理解和改進技術，這樣科學研究會沿著具有潛在應用的方向前進（[6]，P811）；（3）“上游”和“下游”之間的反饋。工業實驗室是一個特殊的知識生產的場所：工業研究的對象常常是特殊條件下的現象（如通訊中無法確認的干擾現象）或具有特殊功能的技術系統（如醫療上的激光凝固器），對于這些現象或系統的研究，會同時對改進技術和理解基本原理做出貢獻。例如，為了用像激光這樣發展尚不完全的部件設計和建造系統，必不可免地會對激光自身的改進提出更明確的要求。而且，這個新儀器在運行中產生了大量的以前從不知道的現象，需要作基礎研究和解釋，這進一步為技術的發展提供了動力；（4）科學技術的積累和擴展能力。大公司的工業實驗室常常是多學科設置，多科學的科學和工程研究的齊頭并進和交叉融合，大大地拓展了技術發展的空間。例如，貝爾實驗室對激光的研究的包括如下方面：①物理部：激光的原理和條件（不同類型的激光器），為光學通訊中的激光（半導體激光），激光在工業中的應用（二氧化碳激光）；激光在物理學研究中的應用（高分辨率光譜學，拉曼散射，）和非線性光學（[7]，PP151-194，）；②電子和無線電部：激光和光發射二極管（[15]，PP198-205，）；③通訊科學：激光光源性質和光波傳輸、調制和轉發（[8]，PP273-305）；④傳輸技術部：激光技術和纖維光學，相關的研究（大氣層對電磁波的影響，光導系統）（[16]；PP657-669）。在激光最重要的應用——光學通訊中，貝爾實驗室做出了關鍵的貢獻，（[8]，PP669），而其源泉可以追溯到60年代初即開始的多種多樣的相關研究。

工業實驗室的作用突出地表現在最重要的激光器——半導體激光器發明上。自1947年晶體管發明之后，半導體研究成為蓬勃發展的領域，到50年代中期每年平均有1000篇論文發表（[5]，P143），有大量的人力和可以利用的材料的。早在紅寶石激光器發明之前，法國、日本和蘇聯的科學家就已對半導體激光器研究做了許多探索性研究（[11]，PP29-30）。但是，第一臺半導體激光器卻誕生在美國。究其原因有二，第一，美國半導體工業的絕對規模以及相應強大的半導體研究力量（[17]，P121），許多公司有著充分的樣品、儀器和專家儲備，轉入激光的研究是很容易的事；第二，競爭的刺激。建造第一臺半導體激光器的競賽，自1961年在RCA ， MIT的林肯實驗室，IBM，通用電話和電子實驗室（GT&E），通用電器幾家實驗室展開。到1962年秋天，通用電器、IBM和林肯實驗室相繼在一個月內成功了建造了半導體激光器。每一個實驗室都有一種感覺：如果不加緊工作，別人就會取勝。

半導體激光器在建立工業基礎方面起著同類似晶體管的作用。在激光發展的三大R&D領域（激光武器，受控聚變和半導體激光的發展）中，半導體激光器的發展主要是工業界自己投資的。（[9]，P26）它的意義重大，產生了許多新的工業部門：光纖通訊；激光印刷；視聽光盤，數據儲存和條形碼讀取等。其主要原因是：體積小，制造成本低，電壓和能量需求低；效率高，與半導體集成電路的符合得很好。半導體激光器是第一次真正意義上的規模生產的激光器。

4．激光的應用：不確定和技術進步

今天，激光極其廣泛地應用在社會和經濟生活中的各個領域，千千萬萬個普通人直接經歷著激光技術的應用：家庭的VCD和CD播放機，辦公室的激光打印機，醫院的激光治療，以及光纜通訊的電話。但是，今天這些應用，在激光發明之初，絕大部分是很難想到的。貝爾實驗室專利辦公室的律師起初拒絕為激光發明申請專利，理由是光波從來沒有在通訊上發揮過作用，因此對貝爾實驗室來說沒有什么利益。（[18]，P701）即使當年親身工作在這個領域的科學家，對于今天激光會有如此廣泛的應用也是預想不到的。Townes 在1999年出版的《激光是怎樣發生的——一個科學家的歷險》一書中寫到：“在激光發明后的幾年，我的同事經常揶揄我說：‘那的確是個很棒的想法，但它是尋找問題的答案（it’s a solution looking for a problem）’?。真的，我們這些第一批在激光領域工作的人，沒有一個人想象到激光最終會有這么多用途。這說明一個的至關重要觀點，無論如何強調都不過分。今天許多的實際技術是源于數年前或幾十年前所做的基礎科學研究。參與的人，主要受好奇心激勵，常常并不知道他們所做的研究會把他們引向何方。我們對事物根本性探索的實際回報的預測能力是很差的。這源于質樸的真理：研究過程中所發現的新的觀念的的確確是新的。”（[3]，P4，著重號是原文有的）Townes 的話從一個科學家的角度， 揭示了一半的真理——從科學研究到技術發明的不確定性。更重要的一半真理，是技術應用自身的不確定性：新發明最初的不完善；創新的影響不僅依賴于技術的改進，也依賴于其他互補的發明；新技術常常是全新的體系，不容易以全新的概念來理解；技術的應用不僅是技術的可行性問題，還有經濟和社會因素的限制。因此，即使是技術可行性已經建立起來了，我們仍然沒有能力預測成功創新的未來影響，（ N. Rosenberg ，[19]）。

在科學技術發展的歷史中，很少有象激光這樣的例子，激起了科學家和工程師無比豐富的想象力。但是在激光發明之后的幾年，實際應用并沒有象想象得那么容易，一些激光應用項目證明很難達到。其中一個原因就是大多數激光器性能很差，60年代中期發明的最重要的兩種激光器：氬離子激光器和Nd:YAG激光器到了70年代生命周期仍然很短。半導體激光器在通訊、激光武器上都具有很大的應用前景，但是發展在室溫下連續運行的半導體激光器卻出乎意料地困難。早期積極介入激光領域的西屋、Hughes和美國光學公司等，或者縮減、或者退出了激光領域。國防部的ARPA也縮減了對激光研究的支持。?

激光的應用困難，不僅在于激光器的性能不完善，而且也在于激光技術與不同應用環境結合的復雜性。在一些領域，是取代現有的技術（如測量）；在一些領域，是在現有技術之外打開新的空間（如通訊）；在一些領域則是全新的應用（如材料工藝）。每一種都結合著技術機會和需求，但是方式各不相同。激光干涉法測量，用的是氦氖激光器，相對來說，是發展成熟的儀器，而且，干涉測量技術早已發展成熟，且有著實驗工具和人員裝備精良的實驗室（如美國國家標準局的實驗室），激光的應用只是使激光與已建立的系統適應；而材料工藝，一開始并沒有合適的高能量激光器，且激光與材料的相互作用是有待于弄清楚的領域。我們以激光通訊和材料工藝為例，來具體分析激光在不同應用環境的不確定因素。

激光通訊：

需求是發展激光通訊的最大動力。隨著電話使用的高漲、電視轉播信號容量的增加、新的空間通訊的需要，電信工業、軍方和NASA都感到需要有更大的電子通訊能力。用相干的激光進行光學通訊似乎是首要的、理想的解決問題的方案。因為光波的波長短，在理想的條件下攜帶的信息遠遠多于無限電波和微波；激光也可以以相對低的能量傳輸到很遠的地方，并有利于秘密通訊；而且由于光線的窄帶，可以阻擋其他非相干光源（如太陽）的干擾。然而，早在1963和1964年，發展激光通訊的許多技術難題就已很明顯，不僅光學部件不成熟，而且傳輸技術也困難重重（例如，大氣層對激光傳輸信號有畸變作用，而保護式傳輸（如用玻璃透鏡）存在極大的光學難題），難以解決。

1970年兩項重要的技術突破，為激光通訊開辟了道路。第一項突破是大不列顛標準通訊實驗室的科學家制造出每公里傳輸只損失20分貝的光纖；第二項突破是，第一個在室溫狀態下連續運行的半導體激光器是貝爾實驗室和蘇聯的科學家研制成功。

光纖不受電磁波干擾，防熱防電，且帶寬（頻率范圍）可以極大地擴展。新半導體激光器的波長和體積可以很好地和光纖的性質協合。這兩項技術突破出乎意料地結合，改變了世界范圍的通訊系統，包括數字傳輸、圖像傳輸和傳統的電話傳輸。對電話來說，1966年最好的連接歐美的大西洋電纜同時只能傳輸138個對話，而1988年首次安裝的光纜，即同時能傳輸40000次對話。([21]，PP43-44)。

材料工藝

激光材料工藝是一種全新的工業應用，是在工業的環境中（技術標準和成本等）研究和發展的，是由激光的買主和公司的研究生產工程師推動的。

許多激光公司很早介入。Korad是最早介入的一個，由焊接工具的供應商Linder投資支持。西屋公司于1964年成立專門研制激光系統的研究組，研制焊接和鉆孔的激光，供公司內部使用和賣給外面的用戶。在生產工程研究組中，AT&T的西方電器工程研究中心，是最早和最多產的貢獻者，Honeywell公司的研究中心則是另一個。這些實驗室的科學家花費大量時間研制激光光束與材料的相互作用。激光與材料作用的方法和效果與舊的方法（如機械鉆孔和電子束）非常不同，不僅依賴于工作材料的性質（表面條件、熱極性），也依賴于激光的性質（波長、能量密度等），而且工藝過程之中，激光與物質的相互作用的性質也會發生變化。第一項發展起的激光工藝技術并不是最早研究的焊接，而是鉆孔，是由西方電器工程中心于1965年底引入的。60年代中期發展起來的高能量激光亞離子激光器、二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器為激光材料工藝提供了有力的工具。隨之，激光材料工藝技術研究中大量的是基礎研究，以發展工藝利用新激光的優點，并容納它的缺點。

激光在通訊和工藝材料中的應用，表明新技術應用的實現是由不同公司的許多研究人員從不同的途徑推進的，有些是在原來預想的技術領域之外出現的（如光纖）。

5．結 論

著名的美國科技政策專家N. Rosenberg教授 在1992年發表的“20世紀的科學技術”一文中開頭指出：“……即使20世紀正在走向結束，我們對于它的某些最鮮明的經濟特征仍然沒有很好地理解。特別的，我指的是，在本世紀中科學塑造經濟活動的方式，以及反過來，經濟塑造科學活動的方式。而且，我相信，真正能最有效地彌補這一理解不足的是來自對個別公司和個別產業的研究------這些研究實際上會具體詳細地認識科學知識和方法是以什么方式和在什么程度上在工業中得到的”。（[22]，P63）

20世紀科學技術之間的關系是多種多樣，物理學家的活動與工業技術的關系，同生物學家的活動完全不同，兩者又與化學家的活動有差異。同樣，鋼鐵產業依賴科學知識的程度和方式與制藥產業完全不同。只有從抽象的概括上升到具體的認識，把科學技術的關系放在具體工業、公司和學科的具體的歷史環境中，我們才能真正認識這些關系，從而更有效地指導我們的實踐活動。

通過激光歷史的研究，我們可以對以下兩方面重要問題的做出一些結論：

5．1 科學與技術的關系

對科學技術之間的關系認識是科技政策的基礎問題。長期以來，科學界和政策界普遍認為，一般來說，科學的目標不是在于解決實際問題，而是對自然規律的認識，但是這種新的認識可能帶來技術的突破，即使它的目的本身不是這樣。科學史上的經典例證是麥克斯韋對電磁波的研究，導致無線電的發現。這樣的思想突出的表現在所謂的創新“線性模型”中：基礎研究產生的新知識最終會沿著線性的路徑，通過應用研究和發展轉換為技術。盡管線性模型已遭到許多學者的批判，但是它的影響仍是根深蒂固的。我們不難發現類似這樣的政策建議：“科學發現可能在很長時間才能最后得到應用，因此，不能基于經濟上的理由來支持基礎研究。”“科學發現是技術發展的動力，重要的議題是加快科學發展到技術商業化的進程。”這樣的建議看似相反，實質上隱含的思想是一樣：科學通過應用通向技術。這樣的觀點，不僅忽略了技術發展依賴于科學的具體方式，而且忽略了相反方向的內容——技術對科學的塑造，因此有著很大片面性，從中導出的政策推論存在著很大的缺陷，甚至可能起著誤導作用。

激光的發展史表明，科學和技術之間存在著多種多樣的相互作用，基本概念的發展和應用是緊密地纏繞在一起的。

激光的發明依賴于科學知識（受激輻射），但不是從科學原理直接推出的（不一定會帶來技術發明）。這里需要指出兩點：第一，從科學（受激輻射）到技術（放大效應）的途徑并不想事后看得那么明顯，不僅放大效應只是受激輻射的一個不容易確證的效應，而且技術上的放大效應和物理學上的放大效應在性質上是十分不同的；第二，新的科學知識（受激輻射）并不是有關科學實踐者（物理學家和工程師）都掌握的知識。激光的發明是物理學知識和工程學知識的匯集，即科學共同體（物理學家）和技術共同體（電學工程師）的交流和融合。雖然從邏輯上激光以受激輻射原理為基礎，但從歷史發展來看，與其說，是新的科學知識導致新的技術發明，不如說，是技術發明利用了現有的科學知識。

不僅技術發明依賴于科學知識，而且，技術塑造科學發展的方向和規定著研究的議程。像其他新技術的誕生一樣，激光的性質在出現時并沒有得到很好的理解，對應用范圍的認識也是有限的。在激光發明之后，技術本身開始作為科學研究的對象。科學研究試圖揭開基本概念，解釋它們怎樣和為什么能工作。對于不同種類的激光研究，產生于不同類型的基礎研究。固體激光的研究促進了對絕緣體和固體的性質研究，氣體激光的研究使得垂死的原子光譜學和氣體放電物理學得到復興。而且，技術帶來的潛在的高回報吸引更多的科學資源投到這個領域。例如，激光通訊的前景，導致了光學的復興，在那時光學還是一個相對小的學科。這個學科活動的增長不是由于科學內部的邏輯，而是根據以評估激光為基礎的技術（laser-based technology）提供的潛在機會決定的（[23]，PP260）。另外，激光的發展促進了象物理化學這樣的交叉領域（[24]，PP55-56）。另一方面，科學研究活動產生一些新的發現（如非線性光學效應），為技術的進一步發展提供了新的源泉。

激光的發展表明，具體的科學成果和它的最終應用沒有直接的聯系。從結果來看，新技術的產生依賴于新的科學知識，從過程來看來，新技術的產生是創造性地利用了已有的科學知識。我們可以進一步說，科學知識是一種可以利用的資源，它是否有用，如何能得到應用是不確定的，依賴于其他因素（新的技術機會的刺激，不同學科群體的相互接觸等等）。一方面，按具體的實用目標“指導”科學的發展是有很難成效的，另一方面，科學的發展不能完全與應用環境隔離。因此，科技政策的設計應該是在承認基礎研究和應用的不同特征基礎上，重視設計激勵雙方互動的政策，截然區分基礎研究和應用對兩者都是有害的。重要的是，保持積累資源和利用資源之間的張力，增加不同種類的知識生產方和知識使用方之間的接觸和交流，這不僅會促進科學的發展，也會促進技術的發展。

5．2 新技術的應用

激光的發展歷史表明，科學技術的突破最終將會對社會和經濟發展產生什么樣的作用取決于解答這樣一個問題：一旦新的技術能力建立起來，社會將怎樣開發和運用這些能力？因為從開始來看，新技術最終能有什么用是不清楚的。新技術的許多潛在應用只有在嘗試使用的過程中才能逐漸顯出。這取決于有關利益各方是怎樣響應的和參與的，依賴于現有社會經濟體系中的技術能力、社會能力（組織、管理和營銷）和支持制度（資本市場、教育體系）。從美國的情況看，軍事、商業利益和科學動力共同發揮著作用。在激光發展的早期，政府的合同起著很大的作用。通過國防部的政府采購和對工業R&D項目的支持，大量的錢流到公司中，刺激了企業的研究。大量的獨立的互相競爭公司，根據自己的戰略和想法開展激光研究，不僅加速了新技術源的出現（例如，半導體激光的發明），而且通過從不同的途徑探索新技術的應用，擴展了技術應用的范圍，同時避免了過度集中在一個方向上的風險。而且，冷戰時期形成的所謂“產學軍聯合體”加強了各方之間的聯系，使各種目標進行的科學研究可以得到交叉利用。需求通過各種方式影響著科學研究的方向，科學家也可能把他們的成果同時“賣給”學術市場、商業市場和軍隊市場。另外，美國工業發展的支持體系（如大學）對激光的發展起了很大的支持作用。雖然在20世紀70-80年代，日本可以在以制造技術為基礎的半導體產業方面和美國一爭高下，但是在科學與技術交界為特征的激光產業上卻一直無法追上美國，其主要原因是日本大學系統僵化使日本大學的應用物理研究遠遠落后。（[25]，P556）

從科學的角度來看，新的科技突破是激動人心。從經濟和社會發展的角度，更重要的問題是如何開發利用新的科技突破。對于中國來說，隨著科技力量的增強，與國際上科學前沿進展同步（如20世紀90年代的超導研究），或很快跟上（如20世紀50年代的半導體研究），已不是很難的事。因此，更重要的問題是：當新的技術能力建立起來之后，我們應該如何開發和運用？

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