[摘要]美國實驗和理論物理學(xué)家、發(fā)明家和教育家查爾斯·湯斯是微波激射器(Maser)的主要發(fā)明者和激光器(Laser)的先驅(qū)者之一,與前蘇聯(lián)(現(xiàn)俄羅斯)物理學(xué)家和微波波譜學(xué)家巴索夫以及普羅霍羅夫分享1964年諾貝爾物理學(xué)獎,還與多人共享“激光之父”之美譽。激光技術(shù)是20世紀人類的重大技術(shù)發(fā)明之一,為了紀念湯斯教授逝世1周年并寄托筆者的深情哀思,特撰寫出此長文。筆者在此全面介紹了湯斯教授的生平與家庭成員;主要學(xué)術(shù)成就與貢獻;與中國的淵源以及所獲雅稱、獎項與榮銜,重點梳理出激光技術(shù)波瀾壯闊發(fā)展歷程的整個脈絡(luò)和概貌,還順便簡介了并非激光器的半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的發(fā)展概況,簡明扼要地闡述了諾貝爾自然科學(xué)獎中與激光技術(shù)密切相關(guān)的有關(guān)情況。
[關(guān)鍵詞]查爾斯·湯斯;能級(能態(tài));躍遷;受激輻射;微波波譜學(xué);核磁共振;拉比樹;粒子數(shù)反轉(zhuǎn);微波激射器(Maser);量子電子學(xué);工作物質(zhì)(增益介質(zhì));泵浦源;光泵浦;光諧振腔;激光(Laser);紅寶石激光器;激光技術(shù);光纖通信(光通信);網(wǎng)絡(luò);全息攝影術(shù);精密測量;激光冷卻技術(shù);玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC);發(fā)光二極管(LED);發(fā)明專利;諾貝爾自然科學(xué)獎
3激光的發(fā)明專利權(quán)之爭
專利(patent)作為一個法律上的概念,源自英文“l(fā)etters patent”,意指由英國國王親自簽署的帶有御璽印鑒的獨占權(quán)利權(quán)證書。由于這種證書的內(nèi)容是國王授予某人對某項技術(shù)享有的獨占權(quán),同時這種證書沒有封口,任何人都可以打開觀看,即證書中的內(nèi)容是公開的,故“壟斷”和“公開”是專利制度的兩個最基本特征?,F(xiàn)主要分為發(fā)明專利、實用新型專利和工業(yè)設(shè)計專利3種類型。
1474年威尼斯共和國首先建立了近代意義上的專利法規(guī),規(guī)定有新發(fā)明的發(fā)明人需報知共和國政府,由政府認可其發(fā)明權(quán),以防他人竊用。
1790年4月10日美國首部專利法——《促進實用技術(shù)進步法案》(An Act to promote the Progress of Useful Arts)由喬治·華盛頓總統(tǒng)簽署頒布,同年7月31日總統(tǒng)簽署頒發(fā)了美國歷史上的首個專利,它授予發(fā)明家塞繆爾·霍普金斯(Samuel Hopkins,1743.12.09—1818),他改進了碳酸鉀和鉀肥的制造工藝。1802年美國專利局(Patent Office,時隸屬于國務(wù)院)成立,1975年更名為美國專利和商標(biāo)局USPTO/PTO(The United States Patent and Trademark Office,現(xiàn)隸屬于商務(wù)部,其總部設(shè)在弗吉尼亞州亞歷山大市)。現(xiàn)行美國專利法1952年7月19日由杜魯門總統(tǒng)簽署頒布,翌年元旦起生效;1999年11月29日克林頓總統(tǒng)簽署頒布《美國發(fā)明人保護法》AIPA(American Inventors Protection Act),其中多項重要條款直接被列入現(xiàn)行專利法;2011年9月16日奧巴馬總統(tǒng)簽署對專利法進行全面修訂的《美國發(fā)明法案》AIA(Leahy-Smith America Invents Act,2013年3月16日起全面生效)。美國專利法對專利保護期的規(guī)定:①發(fā)明專利:1995年6月8日(不含)以前申請并授權(quán)的專利,自授權(quán)日起17年屆滿,此后則為自申請日起20年屆滿。②設(shè)計專利:自授權(quán)日起14年屆滿。專利保護期最多可申請延長5年。
1980年經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)成立中國專利局,1998年更名為國家知識產(chǎn)權(quán)局SIPO(Chinas State Intellectual Property Office)?!吨腥A人民共和國專利法》于1985年4月1日開始實施,最新修訂版2008年12月27日由胡錦濤主席簽署發(fā)布,2009年10月1日起生效實施。中國專利法對專利保護期的規(guī)定:自申請日起,發(fā)明專利權(quán)期為20年,實用新型專利權(quán)和外觀設(shè)計專利權(quán)期均為10年。自1994年起,中國加入世界知識產(chǎn)權(quán)組織WIPO/法語縮寫OMPI(World Intellectual Property Organization,1970年4月26日正式成立,1974年12月17日起成為聯(lián)合國專門機構(gòu),其總部設(shè)在日內(nèi)瓦)的《專利合作條約》PCT(Patent Cooperation Treaty,1970年6月19日簽訂,1978年1月24日起生效,美國是其締約創(chuàng)始國)。
1950年代初,盡管微波激射器才剛剛興起,但已有人開始考慮在比微波波長更短的范圍內(nèi)實現(xiàn)量子放大。1951年6月18日法布里坎特等人曾向前蘇聯(lián)郵電部提交過一份利用汞蒸氣放電得到光放大的發(fā)明專利申請書(專利編號:123209,發(fā)明者證書編號:576749/26,1959年獲得批準(zhǔn)),其主要內(nèi)容是“電磁波輻射(紫外光、可見光、紅外光和無線電)放大的一種方法,其特點是被放大的輻射通過一種介質(zhì),用其他方法和輔助輻射使相當(dāng)于激發(fā)態(tài)的高能級上的原子、其他粒子或系統(tǒng)的濃度增大而超過平衡態(tài)的濃度。”
1943年古爾德獲耶魯大學(xué)物理學(xué)(光學(xué)和光譜學(xué)方向)理學(xué)碩士學(xué)位,1949年他來到哥倫比亞大學(xué)攻讀光學(xué)和微波波譜學(xué)方面的博士學(xué)位(1949—1954年在紐約市立大學(xué)兼職助教),其博導(dǎo)是物理系主任庫什(1955PH22)而不是湯斯,讀博期間他在庫什手下做鉈原子束共振實驗(目的是精確測定鉈的電子磁矩并和鉀的電子磁矩做比較),起初采用熱學(xué)或放電方法激發(fā)鉈原子,多年來都未見成效,1955年拉比教授從國外帶回了法國光泵浦(當(dāng)時只限于無線電和微波波段)新進展的消息,古爾德對此產(chǎn)生濃厚興趣。1957年古爾德產(chǎn)生了用光泵浦法實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的想法并首先完成可見光波段的光泵浦實驗,他設(shè)計出用法布里—珀羅干涉儀鏡片做成的諧振腔,此設(shè)想與不久后肖洛和湯斯的構(gòu)思不謀而合,可以說是異曲同工。古爾德將自己的設(shè)想詳盡地記錄在筆記本上,其設(shè)計手稿至少系統(tǒng)地描述了有關(guān)光放大器(即后來的激光器)5個方面的內(nèi)容:①激光原理:激光是物質(zhì)分子受與其頻率相同的能量激發(fā)而振蕩、放大并聚合成短波的光輻射。這部分內(nèi)容后反映在肖洛和湯斯的專利US2929922中。②激光器原理及其內(nèi)部結(jié)構(gòu):制作一個長圓筒形光諧振腔,兩端設(shè)置反射鏡,其中一端設(shè)有泄光孔(涉及布魯斯特角窗,其目的在于降低反射損耗)。往諧振腔內(nèi)放入工作物質(zhì),通過光泵浦電子,激發(fā)工作物質(zhì)的原子振蕩、放大并聚合,然后物質(zhì)光粒子從泄光孔射出窄幅強烈光束。諧振腔部分后演化為專利US4746201。③最早提出Q開關(guān)技術(shù),可使激光超強脈沖聚合,以產(chǎn)生巨脈沖高能激光。即赫爾沃斯的專利US3928815(因古爾德堅持自己的優(yōu)先權(quán)而導(dǎo)致該專利延遲很長時間才被批準(zhǔn))。④首倡采用氣態(tài)物質(zhì)作為激光介質(zhì)。這部分內(nèi)容后反映在專利US4704583中(此時相關(guān)專利US3149290的保護期已屆滿)。⑤設(shè)計出光學(xué)(氣態(tài))加注放大器(又稱光學(xué)加注振蕩器,即光泵浦氣體放大器),即專利US4053845(此時相關(guān)專利US2929922的保護期剛好已屆滿)。上述內(nèi)容構(gòu)成了激光器的雛形。同年10月湯斯請古爾德到其辦公室詢問了有關(guān)鉈原子燈的新進展,從而他意識到湯斯正在進行類似工作而引起警覺。為此11月13日古爾德來到紐約市布朗克斯區(qū)住所附近的一家糖果雜貨店,請店主作為公證人將其設(shè)計手稿(共9頁,湯斯及另一位同行此前在此手稿上作為見證人已簽字)公證簽封(手續(xù)費5美元)。庫什不同意以激光研究代替原來“原子束共振”的博士論文,1958年3月古爾德憤而離開哥倫比亞大學(xué)并放棄攻讀博士學(xué)位,來到私人TRG公司[古爾德于1967年離開,1967—1973年任布魯克林理工學(xué)院(現(xiàn)紐約大學(xué)理工學(xué)院)教授,1973—1985年任職于光通信(Optelecom)公司]工作繼續(xù)從事激光研究。[1~3]1959年4月6日他提出的一系列激光專利申請(包括56項專利要求,其中要點有:①提出許多活性材料及其激勵方法,詳細探討了鈉蒸氣激光器,類似于肖洛和湯斯的鉀蒸氣激光器,但古爾德采用的是以電子放電為基礎(chǔ)的新激勵方法;②詳細探討了原子碰撞激勵法并由此提出實現(xiàn)氦氖激光器的可能性;③設(shè)計出獨特的光諧振腔;④采用克爾盒作調(diào)制器,首倡Q開關(guān)技術(shù);⑤詳細描述了諧振和非諧振的光放大器結(jié)構(gòu);⑥設(shè)想出激光器將來的多種用途,這部分內(nèi)容后反映在專利US4161436中。此申請書原文長約140頁,1968年才允許公布于世[4])被拒,1962年TRG公司研發(fā)出光泵浦氦銫激光器[5],因性能差而沒有什么實用價值。
激光的專利權(quán)之爭歷時近30年,漫長而曲折,是專利權(quán)爭奪戰(zhàn)中最著名的經(jīng)典案例。古爾德主要因以下原因而導(dǎo)致其激光專利申請和訴訟屢屢受阻:①未正式發(fā)表其激光理論。②對專利法缺乏了解:他咨詢的青年律師很不專業(yè),亦無經(jīng)驗,誤導(dǎo)他應(yīng)將其設(shè)想付諸實踐才能申請專利,這就為后來的激光專利權(quán)之爭埋下了導(dǎo)火索。③政治和保密方面的原因:1944年3月至1945年1月他為哈曼頓計劃工作,因曾加入過美國共產(chǎn)黨(1919年9月1日成立,1944年5月解散,另立非黨組織共產(chǎn)主義政治協(xié)會,1945年重建)而被曼哈頓計劃解雇。1959年初TRG公司利用古爾德1958年12月修訂后的第二份設(shè)計手稿申請到國防部高級研究計劃局DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)資助99.9萬美元(申請資金只有30萬美元)的“激光用于雷達、測距和通信系統(tǒng)”課題,因國防部對此課題研究人員要進行保密政審,古爾德因曾經(jīng)的美國共產(chǎn)黨黨員身份而被禁止直接參與該課題的研究,只能當(dāng)掛名顧問。④受早期激光專利擁有者、激光制造商和應(yīng)用商大機構(gòu)(如貝爾實驗室、休斯研究實驗室、西屋電氣公司和通用汽車公司等)的阻擊。訴訟初期,古爾德(1962首次為國家專利局的“專利抵觸程序”出庭作證)陣營處處被動,屢屢敗北,1968年才獲得其第1個美國激光專利[6],但影響很小。1970年古爾德以1000美元現(xiàn)金外加未來專利收益的10%從對激光業(yè)務(wù)興趣不大的控制數(shù)據(jù)公司手中買回自己的專利權(quán)(主要是第二份設(shè)計手稿)。因資金窘迫,1974年古爾德與紐約里法克技術(shù)發(fā)展公司(Refac Technology Development Corp.,即現(xiàn)在所謂的風(fēng)險投資公司)簽署協(xié)議(專利費收益對半分配),讓里法克全權(quán)代理其激光專利申請和訴訟事宜,專利局把他的激光專利申請分拆為6項(表1中的4項和另外2種類型的激光應(yīng)用)。經(jīng)不懈努力,1977年古爾德終于獲得其第1個有影響的美國激光專利(即US4053845),1979年古爾德及其出資者共同組建Patlex公司(古爾德只占20%的股份),主要進行有關(guān)激光發(fā)明專利權(quán)的訴訟和洽談專利費的收取事宜。古爾德團隊步步為營,以通用光子公司和控制激光公司為突破口,最終在激光發(fā)明專利權(quán)的爭奪戰(zhàn)中贏得部分勝利,他總計共獲得48項激光發(fā)明專利(其中有影響的美國專利4項)。
主要因激光方面的發(fā)明而入選美國國家發(fā)明家名人堂(NIHF)的美國發(fā)明專利見表1。
注1:美國國家發(fā)明家名人堂NIHF(National Inventors Hall of Fame):1973年由時任專利法協(xié)會全國理事會(National Council of Patent Law Associations,現(xiàn)稱National Council of Intellectual Property Law Associations)主席的馬修斯先生(H.Hume Mathews)倡議創(chuàng)辦,次年由美國專利局(現(xiàn)USPTO)接手,其總部設(shè)在俄亥俄州北坎頓市(North Canton),堂址原設(shè)在俄亥俄州阿克倫市(Akron),2008年起遷至USPTO總部所在地——弗吉尼亞州亞歷山大市(Alexandria city)。入選者不限國籍,已故發(fā)明家可入選,但入選者名下必須擁有美國專利(極個別很早就逝世者除外)。1973年首屆唯一入選者是著名發(fā)明家愛迪生[US0223898,1880.01.27/1879.11.04,電燈(electric lamp)],瑞典工業(yè)化學(xué)家、國際實業(yè)家和諾貝爾獎創(chuàng)始人阿爾弗雷德·諾貝爾[US0078317,1868.05.26,黃色安全炸藥(dynamite,即達納炸藥)]于1998年入選。出生最早者是2006年入選的美國鐘表匠、工程師和企業(yè)家約翰·菲奇(John Fitch,1743.01.21—1798.07.02),他是美國蒸汽輪船(1787.08.22)的發(fā)明者。最早入選的女性是1991年入選的美國生物化學(xué)家和藥理學(xué)家伊萊昂(1988PM32,US2884667,1959.05.05/1955.06.20,抗白血病藥物2-amino-6-mercaptopurine)。截至2015年年底,獲此榮譽者共計516人,其中女性28人。
注2:1958年肖洛和湯斯決定將自己的理論分析寫成論文(即《紅外區(qū)和光激射器》)并申請發(fā)明專利,貝爾實驗室專利辦公室負責(zé)人竟然認為光對通信不會有什么重要性,也不涉及貝爾實驗室的利益,故起初拒絕,后在肖洛和湯斯的堅持下才同意提出申請,該專利的核心內(nèi)容是采用光諧振腔來實現(xiàn)光放大和光泵浦(當(dāng)時的一項新興技術(shù))。
注3:該專利的優(yōu)先權(quán)日是1961年4月13日。優(yōu)先權(quán)日是指專利權(quán)人首次提出專利申請的日期,包括他/她在其他《專利合作條約》締約國對同一專利提出的申請。
注4:該專利申請公開了光放大器裝置及其應(yīng)用,一種光放大器采用光泵浦實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),另一種光放大器采用與其他粒子碰撞實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。該產(chǎn)品覆蓋各種激光的應(yīng)用,包括制造高溫、蒸發(fā)材料、機械加工、測距、通信系統(tǒng)、電視、激光影印機、激光核聚變和其他光化學(xué)應(yīng)用,甚至已考慮到用于產(chǎn)生X射線。
注5:布魯斯特角(又稱偏振角)是指自然光經(jīng)電介質(zhì)界面反射后,反射光為線偏振光所應(yīng)滿足的條件。1815年首先由蘇格蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家和歷史學(xué)家布魯斯特(Sir David Brewster,KH,PRSE,F(xiàn)RS,F(xiàn)SA,F(xiàn)SSA,MICE,1781.12.11—1868.02.10)發(fā)現(xiàn)。
注6:為紀念美國國際商業(yè)機器公司IBM(International Business Machines,成立于1911年6月16日)創(chuàng)建100周年,美國著名IT網(wǎng)站eWeek于2011年評選出IBM公司百年來十大高科技創(chuàng)新發(fā)明(均獲美國發(fā)明專利),該專利(US4784135)名列第五(按時間先后排序),它是日后激光眼科手術(shù)的基礎(chǔ)。1980年美國籍印度裔化學(xué)家和物理學(xué)家斯瑞瓦薩利用紫外準(zhǔn)分子激光發(fā)明光解剝離APD(ablative photo-decomposition)技術(shù),從而成為準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)LASIK(Laser-assisted in situ keratomileusis,俗稱激光眼科手術(shù)或激光視力矯正)的先驅(qū)。LASIK是一種通過準(zhǔn)分子激光改變眼角膜的弧度,以校正近視和散光的手術(shù),這種手術(shù)方法于1995年獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)的批準(zhǔn)。目前LASIK采用的主要是ArF氣體準(zhǔn)分子激光(193 nm)。美國LaserSight公司旅美臺灣物理學(xué)家林瑞騰(Jui-Teng Lin)在其美國專利中首次提出以213 nm固體激光替代有毒氣體ArF準(zhǔn)分子激光:US5520679,采用非接觸掃描激光的眼科手術(shù)方法(Ophthalmic surgery method using non-contact scanning laser),申請日:1994.03.25,公開日:1996.05.28。
4激光之父湯斯的主要學(xué)術(shù)成就與貢獻
湯斯教授是Maser的主要發(fā)明者和Laser的先驅(qū)者之一,高分辨率微波波譜學(xué)(可用于詳細考察分子和原子核的結(jié)構(gòu))的創(chuàng)始人和量子電子學(xué)的奠基者之一,將Maser/Laser技術(shù)應(yīng)用于天文探測的先驅(qū),因?qū)π请H分子方面的開創(chuàng)性研究而成為分子天文學(xué)(molecular astronomy,按照國內(nèi)現(xiàn)在的規(guī)范稱呼,這門學(xué)科被稱為分子天體物理學(xué))的開拓者。文中前后已述及的內(nèi)容在此不贅述。湯斯的研究領(lǐng)域還涉及原子鐘、相對論、非線性光學(xué)效應(yīng)和射電天文學(xué)(射電天體物理學(xué))等,在應(yīng)用干涉調(diào)頻技術(shù)進行紅外波段的高角度分辨率(high angular resolution)天文學(xué)研究方面作出較大貢獻。[7~8]晚年醉心于紅外天文學(xué)(紅外天體物理學(xué))的研究以及探索科學(xué)與宗教的融合。湯斯的科研原創(chuàng)精神和領(lǐng)導(dǎo)組織能力得到世界科技界的廣泛認可和贊賞。
有據(jù)可查的湯斯最早發(fā)表的學(xué)術(shù)論文是1938年的《無油脂真空管》。[9]1940年代末,核四極矩NQM(nuclear quadrupole moment)研究是當(dāng)時的一個熱門課題,湯斯報道了大量的核四極矩耦合常數(shù)并以分子光譜理論予以解釋。1948年初他和貝爾實驗室同事巴丁合作發(fā)表分子中核四極矩效應(yīng)計算方面的論文[10],1949年他和哥倫比亞大學(xué)化學(xué)系同事戴利(Benjamin P.Dailey)首創(chuàng)NQR方面的湯斯—戴利理論(Townes-Dailey theory),給出了分子超精細效應(yīng)的解釋。[11]同年美國物理學(xué)家沃爾特·奈特(Walter David Knight,1919.10.14—2000.06.28)發(fā)現(xiàn)了金屬磁共振中的奈特位移(Knight shift)機制[12],湯斯指出該位移可能是來自導(dǎo)電電子的順磁影響,根據(jù)其理論計算出來的順磁效應(yīng)果然與實驗結(jié)果相吻合。[13]
雷達技術(shù)涉及微波的發(fā)射和接收,其核心部件是微波振蕩器。1940年代雷達技術(shù)的發(fā)展促進了微波技術(shù)應(yīng)用于微波與分子相互作用的研究?!岸?zhàn)”期間湯斯在貝爾實驗室從事雷達方面的設(shè)計研究,戰(zhàn)后不久他就決定從工程界(雷達系統(tǒng)工程師)轉(zhuǎn)向自己早已心儀的實驗和理論物理學(xué)研究,對利用微波波譜學(xué)和分子共振法來探測氣體分子能譜深感興趣。由拉比教授推薦到知名的哥倫比亞大學(xué)物理系執(zhí)教,期間應(yīng)軍方邀請開始致力于提高雷達工作頻率的研究,因此他很快就成為微波波譜學(xué)方面的權(quán)威專家。
1952年湯斯小組發(fā)表《毫米波磁控管諧波》一文[14],這是非線性光學(xué)方面的早期論文。首臺Maser實驗成功前3個月,拉比和庫什教授曾試圖勸阻湯斯的進一步研究,他倆說這個方案行不通,不必在這方面浪費時間和金錢,湯斯不為所動且倍加努力地工作,堅持自己的研究方向而最終取得巨大成功。1959年龐德及其博士生瑞貝卡(Glen Anderson Rebka,Jr.,1931—)利用剛發(fā)現(xiàn)不久的穆斯堡爾效應(yīng)[15]首次在地面上定量地驗證了廣義相對論所預(yù)言的引力紅移。[16]1958年(首次完成近代版的邁克耳孫—莫雷實驗)和1964年湯斯小組利用Maser的相干性,2次以10-7的相對誤差絕對值(1973年時已優(yōu)于10-10,2009年時已優(yōu)于10-17)驗證了邁克耳孫(1907PH)—莫雷實驗(Michelson-Morley experiment,1887年于俄亥俄州克利夫蘭,企圖驗證以太存在的著名光學(xué)實驗,由此發(fā)現(xiàn)了極為重要的狹義相對論的基本原理——光速不變原理)。[17~18]這兩個方面的實驗從不同角度驗證了愛因斯坦的相對論。
美國通信工程師和科幻小說家皮爾斯(John Robinson Pierce,1910.03.37—2002.04.02)從1954年起就開始研究衛(wèi)星通信系統(tǒng),1955年他在美國火箭協(xié)會主辦的《噴氣推進》雜志發(fā)表論文《軌道無線電中繼系統(tǒng)》,論證衛(wèi)星通信所需要的功率,故被譽為“衛(wèi)星通信之父”,他還是“晶體管”(transistor)的命名者。1960年8月12日美國“回聲I號”(Echo I)衛(wèi)星發(fā)射升空,這是人類發(fā)射的首顆試驗型無源通信衛(wèi)星(既無電源,又無任何電子設(shè)備和儀器,實際上是一個直徑30 m的氣球式衛(wèi)星)。時任貝爾實驗室通信研究室主任的皮爾斯是這顆通信衛(wèi)星的主要設(shè)計者之一,他利用固體Maser放大了“回聲I號”衛(wèi)星發(fā)射到金星后又反射回來的幾乎消失殆盡的微弱信號,這是宇宙通信的開端。
星際物質(zhì)ISM(interstellar matter)是指銀河系和其他星系內(nèi)恒星之間的物質(zhì),包括星際氣體、星際塵埃和各種各樣的星際云(interstellar cloud,分子云是其中的一種),有時還包括星際磁場和宇宙射線。星際分子(interstellar molecule)是指自然存在于星際空間氣體塵埃云(即星際云)內(nèi)的無機分子或有機分子。星際分子譜線通常產(chǎn)生于轉(zhuǎn)動能級之間的躍遷,波長處于毫米波或亞毫米波段,主要通過這些射電波段特定波長的發(fā)射譜線和吸收譜線來探測。利用光譜學(xué)方法,星際分子甲川基(CH,1937年)、氰基(CN,1939年)和甲川正離子(CH+,1939年)首先被發(fā)現(xiàn),但限于當(dāng)時的觀測條件,這些發(fā)現(xiàn)并未受到重視。湯斯在微波波譜學(xué)方面的造詣很深,1950年代中后期他將目光轉(zhuǎn)向天文學(xué)方面的研究,提出利用微波波譜檢測法可以探測到星際介質(zhì)中的分子,預(yù)言星際空間存在著大量穩(wěn)定的星際分子,并計算出這些分子躍遷的射電頻率。1954年他就提出可以尋找羥基自由基(OH)的微波譜線,哥倫比亞大學(xué)湯斯小組在地面實驗室測得OH的2條主吸收譜線是1665.46 MHz和1667.34 MHz。1957年湯斯根據(jù)理論計算列出17種可能觀測到的星際分子及其頻率并提出探測它們的方法[19],不久后大多被陸續(xù)證實。1963年10月15日MIT博士生韋雷伯(Sander Weinreb,1936.12.09—)和美國射電天體物理學(xué)家巴雷特(Alan Hildreth Barrett,1927.06.07—1991.07.03)等人利用射電望遠鏡果然在來自仙后座A射電源的輻射里找到了羥基的2條主吸收譜線[20],這是首次在射電波段探測到星際分子的微波波譜,標(biāo)志著分子天體物理學(xué)(微波波譜學(xué)則是孕育其誕生的“母科學(xué)”之一)的誕生,揭開了陸續(xù)發(fā)現(xiàn)星際分子的序幕。1968年和1969年華裔科學(xué)家張熾堂(Albert Chi-Tong Cheung,后供職于香港城市大學(xué))和湯斯等人在銀河系中心首先分別探測到穩(wěn)定的氨(NH3)和水(H2O)星際分子[21~22],1969年首個星際有機分子甲醛(H2CO)被發(fā)現(xiàn),因構(gòu)成生命物質(zhì)基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)(其主要成分是氨基酸分子)就是一種有機分子,故其意義十分重大。[23]迄今科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)確認的星際分子共有150余種(不包括同位素)。星際分子的發(fā)現(xiàn)有助于幫助人類了解星云(nebula)和恒星的演變過程,是當(dāng)今天文學(xué)分支——星際化學(xué)的基礎(chǔ),星際分子的研究是天體演化、生命起源和物質(zhì)結(jié)構(gòu)三大基礎(chǔ)理論研究的一個重要交叉點。
1985年湯斯小組首先觀測并闡明了銀河系中心的質(zhì)量分布[24],其實質(zhì)是發(fā)現(xiàn)了一個黑洞(black hole)。銀河系中心人馬座A、天鵝座X-1和超新星SN 1979C等是著名的黑洞候選者。湯斯還是1990年4月24日發(fā)射升空的哈勃空間望遠鏡HST(Hubble Space Telescope)設(shè)計制造的關(guān)鍵人物之一。
湯斯教授作為發(fā)明家共獲得13項美國發(fā)明專利,見表2。
注1:美國電氣工程師達林頓(Sidney Darlington,1906.07.18—1997.10.31)以1953年發(fā)明達林頓晶體管(美國專利US2663806)而聞名,1945年獲總統(tǒng)自由勛章;伍德里奇(Dean Everett Wooldridge,1913.05.30—2006.09.20)是美國航天航空業(yè)界的杰出工程師。
注2:美國女物理學(xué)家加邁爾(Elsa M.Garmire,1939.11.09—)于1993年出任美國光學(xué)學(xué)會會長;斯托依切夫(Boris Peter Stoicheff,1924.06.01馬其頓比托拉—2010.04.15多倫多)是加拿大物理學(xué)家。
湯斯教授作為知名教育家,他指導(dǎo)的著名博士生主要有:①美國籍伊朗裔物理學(xué)家賈范:赴美前他完全不懂英語,在已移居紐約的姐姐幫助下,1948年來到美國,奮發(fā)自學(xué),1949年被特許入學(xué)(當(dāng)時美國絕大多數(shù)高等院校需要擁有本科及以上畢業(yè)文憑才能攻讀博士學(xué)位,但哥倫比亞大學(xué)并無此規(guī)定,只要通過其嚴格的入學(xué)考試即可),1954年獲哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)PhD(像他這樣既無學(xué)士又無碩士學(xué)位者,直接就獲得世界一流大學(xué)的博士學(xué)位,比較罕見,李政道的經(jīng)歷和他類似),1960年發(fā)明世界上首臺可連續(xù)輸出激光束的氦氖激光器,1964年晉升為MIT物理學(xué)教授。②美國物理學(xué)家詹姆斯·戈登:1955年獲哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)PhD,以Maser的研究作為博士學(xué)位論文,Maser的主要發(fā)明者之一。③美國籍德國裔射電天體物理學(xué)家彭齊亞斯(1978PH32):1962年(前一年寫完論文)獲哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)PhD[25],其博士論文涉及為射電天文實驗室研制一種Maser,以觀測星際中最豐富的中性氫原子的一條波長為21 cm的譜線。1964年彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜(1978PH33)利用Maser作為放大器在7.35 cm的波長上偶然觀察到宇宙空間的各向同性輻射,即約3 K宇宙微波背景CMB(cosmic microwave background,舊稱宇宙微波背景輻射CMBR=CMB radiation,如今的準(zhǔn)確值是2.72548±0.00057 K)[26],從而證實了現(xiàn)代宇宙學(xué)關(guān)于宇宙起源的大爆炸理論(Big Bang theory)[27],大爆炸宇宙模型現(xiàn)稱標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型。美國天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家斯穆特(2006PH22)將CMB說成是“上帝的手跡”。④美籍華裔量子物理學(xué)家趙雷蒙(Raymond Y.Chiao,1940.10.09香港—):1947年移居美國,1965年獲MIT物理學(xué)PhD,其博士論文是關(guān)于受激布里淵散射方面的研究,1993年和拉姆齊分享愛因斯坦激光科學(xué)獎(Einstein Prize for Laser Science)[28],該獎由原光學(xué)和量子電子學(xué)會(Society for Optical and Quantum Electronics)創(chuàng)設(shè)并得到柯達公司贊助,1988—1996年在激光與應(yīng)用國際會議(Lasers88~Lasers96)上頒發(fā),每年頒獎一次(1994年未頒獎),每屆獲獎?wù)?人(1989年只有1人),共計15人(文獻[29]中的13人有誤)獲獎[30],其中諾物獎得主7人:阿羅什(1988年)、約翰·霍爾和拉姆(1992年)、拉姆齊(1993年)、亨施和卡爾·維曼(1995年)、維因蘭德(1996年)。⑤美國物理學(xué)家羅伯特·博伊德(Robert William Boyd,1948.03.08—):1977年獲UCB物理學(xué)PhD,其博士論文是關(guān)于非線性光學(xué)技術(shù)在天文學(xué)紅外探測方面的應(yīng)用。
湯斯一生共發(fā)表過400余篇學(xué)術(shù)論文,其主要著作有權(quán)威專著(教科書)《微波波譜學(xué)》(與肖洛合著,Microwave Spectroscopy,1955年,紐約市McGraw-Hill)、《維納斯:探測的戰(zhàn)略》(Venus:Strategy for Exploration,1970年,華盛頓美國國家科學(xué)院)以及2本回憶錄《創(chuàng)造波浪》[31](Making Waves,1995年,紐約州Woodbury:美國物理聯(lián)合會出版社)和《激光如何偶然發(fā)現(xiàn):一名科學(xué)家的探險歷程》[32](How the Laser Happened:Adventures of a Scientist,1999.04.08,紐約市:牛津大學(xué)出版社)等。
5激光技術(shù)與諾貝爾自然科學(xué)獎
諾貝爾物理學(xué)獎、化學(xué)獎、生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎、文學(xué)獎與和平獎始頒于1901年,由瑞典國家銀行出資增設(shè)的紀念阿爾弗雷德·諾貝爾經(jīng)濟學(xué)獎則始頒于1969年。截至2015年年底,共有870人874人次贏得諾獎(其中諾物獎得主是200人201人次),另有23個組織機構(gòu)在24個年度內(nèi)26次榮獲諾和獎。[33~34]諾貝爾自然科學(xué)獎中與激光技術(shù)密切相關(guān)(LED并非激光器,但它是伴隨著對LD的研究而發(fā)明的)的有關(guān)情況見表3。激光技術(shù)、X射線和磁共振技術(shù)是獲得諾貝爾自然科學(xué)獎最多的幾個科學(xué)專題。[35~37]
注1:符號“●”表示該諾獎得主獲得 1/2單項諾獎獎金,其他2人各獲1/4獎金。
注2:1958—1964年湯斯連續(xù)7年共獲得73人次諾物獎提名(3/4/23/14/18/29),湯斯作為提名人唯一的1次諾獎提名發(fā)生在1956年度(編號:60-0)[39~40],當(dāng)時他提名巴丁、布拉頓和肖克利為諾物獎,當(dāng)年恰好是這3人獲獎。1964年當(dāng)年每項諾獎獎金總額為27.30萬瑞典克朗(比上一年度增加0.8萬SEK,當(dāng)時約合5.46萬美元,其價值只相當(dāng)于1901年的33.01%)。湯斯是諾物獎歷史上的第81位得主,諾獎歷史上的第346位得主。12月10日湯斯出席了在斯德哥爾摩音樂廳舉辦的傳統(tǒng)頒獎典禮,物理學(xué)獎由隆德大學(xué)物理學(xué)家(光譜學(xué)家)和天文學(xué)家、時任物理學(xué)諾貝爾委員會委員的埃德倫(Bengt Edlén,1906.11.02—1993.02.10)教授致頒獎辭(Award Ceremony Speech)。在當(dāng)晚傳統(tǒng)的諾貝爾晚宴上,湯斯教授發(fā)表了晚宴致辭(Banquet Speech)。在諾獎官網(wǎng)上,湯斯、巴索夫、普羅霍羅夫、布洛姆伯根和肖洛所屬研究領(lǐng)域(大類)都被列為光學(xué)物理學(xué)(optical physics)和量子電動力學(xué)QED(quantum electrodynamics)。1957年諾物獎得主楊振寧和李政道是1962年以前現(xiàn)健在諾獎得主中碩果僅存的兩位。[41~42]
注3:1946—1947年布洛姆伯根師從哈佛大學(xué)珀塞爾教授開始從事核磁共振方面的研究,他對弛豫過程的研究很出色,是首位精確測量弛豫時間的科學(xué)家。[43]布洛姆伯根的博導(dǎo)是珀塞爾教授,1948年他將論文《核磁弛豫》(Nuclear Magnetic Relaxation)提交給荷蘭萊頓大學(xué)而獲該大學(xué)物理學(xué)PhD。1962年布洛姆伯根等人首先提出了實現(xiàn)高效非線性頻率變換的準(zhǔn)相位匹配QPM(quasi-phase matching)理論[44],1965年布洛姆伯根出版其經(jīng)典專著《非線性光學(xué)》(Nonlinear Optics,紐約版),他因?qū)Ψ蔷€性光學(xué)理論和非線性光學(xué)頻率變換的開創(chuàng)性工作而被公認為非線性光學(xué)奠基人。非線性光學(xué)是光學(xué)的一門分支學(xué)科,非線性光學(xué)效應(yīng)主要有二階非線性光學(xué)效應(yīng),如二次諧波產(chǎn)生SHG(second harmonic generation,即倍頻)、和頻SFG(sum frequency generation)、差頻DFG(difference frequency generation)、光學(xué)參量產(chǎn)生器和放大器OPG/OPA(optical parametric generator/amplifier)以及光學(xué)參量振蕩器OPO(optical parametric oscillator,1965年)等;三階非線性光學(xué)效應(yīng),如三次諧波產(chǎn)生THG(third harmonic generation)和雙光子吸收TPA(two-photon absorption)等;非線性光散射效應(yīng),如受激拉曼散射SRS(stimulated Raman scattering,1928年印度物理學(xué)家拉曼首先發(fā)現(xiàn)拉曼散射,又稱拉曼效應(yīng))、受激布里淵散射SBS(stimulated Brillouin scattering,1922年法國物理學(xué)家萊昂·布里淵首先發(fā)現(xiàn)布里淵散射)和受激瑞利散射(stimulated Rayleigh scattering,1871年英國物理學(xué)家瑞利首先發(fā)現(xiàn)瑞利散射)等[45],此外還有高次諧波產(chǎn)生HHG(high harmonic generation)、光折變效應(yīng)、自聚焦(self-focusing,M.J.Hercher,1964年)、自發(fā)參量熒光(spontaneous parametric fluorescence,S.A.Akhmanov,1967年)、光學(xué)相位共軛(optical phase conjugation,Boris Ya.Zeldovich,1972年)和光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)(optical bistability,H.M.Gibbs,1976年)等。非線性光學(xué)的發(fā)展離不開非線性材料的開發(fā)和非線性光學(xué)技術(shù)的研發(fā)。中國非線性晶體的研發(fā)具有國際一流水平,其中三硼酸鋰LBO(LiB3O5)和β相偏硼酸鋇BBO(β-BaB2O4)晶體享譽世界,用于深紫外倍頻的氟硼鈹酸鉀KBBF(KBe2BO3F2)晶體更是領(lǐng)先于國際非線性光學(xué)晶體同行。
注4:激光光譜學(xué)(laser spectroscopy)是指以激光為光源的一個光譜學(xué)分支,其研究方法主要有激光吸收光譜、激光發(fā)射光譜、激光熒光光譜、激光拉曼光譜、激光光聲光譜、激光磁共振光譜、激光斯塔克光譜和非線性激光光譜等。1970年代肖洛和亨施在斯坦福大學(xué)物理系領(lǐng)導(dǎo)一個激光光譜學(xué)研究小組,對非線性光學(xué)和高分辨率激光光譜學(xué)的研究作出重大貢獻,他們所創(chuàng)造的激光光譜學(xué)方法主要有:飽和吸收光譜(1971年)、內(nèi)調(diào)制熒光光譜(1972年)、雙光子光譜(1974年)、激光標(biāo)識光譜(1976年)、偏振光譜(1976年)、兩步偏振標(biāo)識光譜(1979年)、光電流光譜(1979年)和偏振內(nèi)調(diào)制激勵光譜(1981年)等。
注5:國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所NIST(National Institute of Standards and Technology)原名國家標(biāo)準(zhǔn)局NBS(National Bureau of Standards),1901年成立,1988年起更為現(xiàn)名,又稱國家計量研究所NMI(National Metrological Institute),其總部設(shè)在馬里蘭州蓋瑟斯堡市(City of Gaithersburg),是一個直屬商務(wù)部的非監(jiān)管機構(gòu)。
注6:超快激光光譜學(xué)(ultrafast laser spectroscopy)有時又稱為超高時間分辨率光譜學(xué)(ultrahigh time-resolution spectroscopy),它仍在迅速發(fā)展中。泵浦—探測技術(shù)(pump-probe technique)是超快激光光譜學(xué)中的典型技術(shù),澤維爾首次應(yīng)用飛秒泵浦—探測技術(shù)對化學(xué)鍵斷裂過程進行實時觀測獲得成功。他使用超短激光脈沖技術(shù)和分子束技術(shù)研究超快化學(xué)反應(yīng),1990年首次研制出一種飛秒級分子“照相機”,它能以飛秒級時間尺度實時觀察分子運動并目擊分子的誕生[46],開創(chuàng)了飛秒化學(xué)(femtochemistry)研究新領(lǐng)域,他還利用激光的相干特性控制了化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)率,在化學(xué)(反應(yīng))動力學(xué)領(lǐng)域作出杰出貢獻。[47]
注7:通常稱給樣品較大能量的電離法為硬電離,如電子轟擊電離法EI(electron impact ionization);給樣品較小能量的電離法則稱為軟電離(如ESI和SLD),后者適用于易破裂或易電離的樣品,它不會破壞化學(xué)鍵,易得到準(zhǔn)分子離子峰,而前者一般只能得到碎片離子。芬恩(2002CH32)于1984—1989年發(fā)明了電噴霧電離法ESI,在此基礎(chǔ)上后來又陸續(xù)發(fā)展出解吸電噴霧電離法DSEI(desorption ESI)和電噴霧萃取電離法EESI(extractive ESI)。田中耕一于1985—1988年發(fā)明了軟激光解吸電離法SLD(soft laser desorption)[48],2位德國科學(xué)家獨立發(fā)明用煙酸(nicotinic acid)為介質(zhì)的更為簡單高效的LDI技術(shù)新方法——基質(zhì)輔助激光解吸/電離法(MALDI)僅比田中耕一晚2個月發(fā)表。[49]田中耕一只是一名普通的企業(yè)研發(fā)工程師,在大學(xué)本科畢業(yè)后2年多就取得重大科技突破并申請日本專利[50],獲諾獎時他竟然是“五無”(無研究生學(xué)歷、無海外留學(xué)經(jīng)歷、無高級技術(shù)職稱、無行政管理職務(wù)、無SCI論文),其獲獎經(jīng)歷富有傳奇性,是科學(xué)界近來最具典型代表性的勵志范例。目前蛋白質(zhì)序列的質(zhì)譜分析方法主要有以下2種:基質(zhì)輔助激光解吸/電離飛行時間質(zhì)譜法MALDI-TOFMS(matrix-assisted laser desorption/ionization-time of flight mass spectrometry)和電噴霧電離串聯(lián)質(zhì)譜法ESI-tandem MS(electrospray ionization-tandem mass spectrometry,又稱ESI-MS-MS法),它們都屬于新型高效的軟電離生物質(zhì)譜法。
注8:1963年格勞伯將量子理論引入光學(xué)討論而創(chuàng)建了光的相干性量子理論[51~53],成功地解釋了天文觀測中出現(xiàn)的光子聚集現(xiàn)象(即從熱源發(fā)射的光子在穿越地球后是如何出現(xiàn)相干的),也解釋了電燈這類熱光源發(fā)射的漫射光(非相干光)與激光發(fā)射的聚集強光(相干光)之間的本質(zhì)區(qū)別,還加深了人們對光的量子噪聲的進一步認識,其先驅(qū)性工作奠定了現(xiàn)代量子光學(xué)(quantum optics)理論的基礎(chǔ)。[54]現(xiàn)代量子光學(xué)是基于量子理論研究光的相干性和統(tǒng)計性,以及光和物質(zhì)相互作用的量子性質(zhì)的一個光學(xué)分支。
注9:依賴于1997年諾物獎得主所取得的激光冷卻和俘獲原子的開創(chuàng)性研究成果,實現(xiàn)單原子測量和操控才成為可能。2012年諾物獎得主的成就是突破了薛定諤貓的束縛,能夠捕捉到單個微觀粒子并加以測量和操控,阿羅什的主要貢獻是利用微波腔非破壞地測量單個光子[55],維因蘭德則是利用離子阱(發(fā)明并發(fā)展離子阱技術(shù)的沃爾夫?qū)けA_和德默爾特是1989年諾物獎得主)俘獲并操控單個離子。1996年阿羅什小組首次實現(xiàn)腔場薛定諤貓態(tài)(即相干態(tài)的相干疊加態(tài))[56],次年首次實現(xiàn)原子糾纏態(tài)。[57]1989年維因蘭德小組首次實現(xiàn)將單個離子冷卻到其質(zhì)心運動基態(tài)[58],處在量子化狀態(tài)的超冷離子呈現(xiàn)出明顯的非經(jīng)典性質(zhì),由此可以驗證量子力學(xué)的基本理論并揭示微觀世界的新現(xiàn)象;1995年利用冷卻到零點能的單個鈹離子(Be+)成功地演示了量子邏輯門;[59]1996年利用激光脈沖制備了幾個離子體系的薛定諤貓態(tài);[60]1998年實現(xiàn)了2個超冷離子的單重和三重貝爾糾纏態(tài)。[61]量子糾纏起源于由愛因斯坦等人開創(chuàng)的EPR悖論,約翰·貝爾(John Stewart Bell,F(xiàn)RS,1928.06.28—1990.10.01)是英國北愛爾蘭物理學(xué)家,因在量子物理學(xué)隱變量理論和EPR悖論方面提出貝爾定理和貝爾不等式而聞名。潘建偉團隊自2004年起一直保持著糾纏光子數(shù)的世界紀錄,于2004/2007/2012年(正式發(fā)表論文年份)分別實現(xiàn)5/6/8光子糾纏,8光子糾纏至今仍是世界最高紀錄。每增加1個糾纏光子,光學(xué)干涉系統(tǒng)就要復(fù)雜1倍,產(chǎn)生糾纏的難度則隨光子數(shù)增加而呈指數(shù)上升?!爸锌拼蟪晒χ苽浒斯庾蛹m纏態(tài),刷新世界紀錄”成為“隆力奇杯”2011年國內(nèi)十大科技新聞(《科技日報》主辦)之第十(按發(fā)生時間排序)?!岸喙庾蛹m纏及干涉度量”(完成人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、彭承志、陳宇翱、陸朝陽和陳增兵)項目榮獲2015年度中國國家自然科學(xué)獎一等獎。
注10:1969年RCA實驗室馬魯斯卡和蒂提恩(James J.Tietjen,時任RCA實驗室主任)首次采用氫化物氣相外延HVPE(hydride vapour phase epitaxy)法在藍寶石襯底上成功制備出GaN單晶薄膜。[62]1973年松下電器公司東京研究所(即后來的松下技研)赤崎勇正式開始GaN類藍色發(fā)光器件的基礎(chǔ)性研究,其目標(biāo)是實現(xiàn)p型半導(dǎo)體,以研制出高亮度的藍色LED和藍色半導(dǎo)體激光器。赤崎勇小組于1974年采用MBE法以及1978年采用MBE法和HVPE法并用制備GaN單晶薄膜,效果均不理想。1982年天野浩(1989年獲名古屋大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位,其博導(dǎo)是赤崎勇)加入赤崎勇研究小組[63],1985年他們采用MOCVD法[1977年由羅克韋爾國際公司的美國電氣工程師拉塞爾·杜普伊斯(Russell Dean Dupuis,1947.07.09—)和達普克斯(Paul Daniel Dapkus)共同發(fā)明[64]]以低溫沉積緩沖層技術(shù)首次成功制造出表面均勻取向非常好的高品質(zhì)GaN單晶薄膜[65],開啟了實用型藍色LED的發(fā)展歷程。1989年他們采用摻Mg工藝在GaN中實現(xiàn)了p型摻雜(后來中村修二采用更為簡便的方法實現(xiàn)p型摻雜),解決了藍色LED的p極材料的導(dǎo)電性問題,取得重大技術(shù)突破;[66]1991年首次實現(xiàn)了GaN p-n結(jié)[67],為利用GaN研制藍色LED奠定了堅實基礎(chǔ);1992年終于研制成功GaN p-n同質(zhì)結(jié)紫外/藍光LED,在藍寶石襯底上錯位生長,其光效達1.5%。[68]2015年3月天野浩教授在接受采訪時表示,計劃推動有關(guān)LED技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域(如銀屑病和白癜風(fēng)等皮膚?。┑难芯俊?/p>
注11:1994年中村修二以《InGaN高亮度藍色LED的相關(guān)研究》獲日本徳島大學(xué)(University of Tokushima)電氣工程學(xué)論文博士學(xué)位,2015年因?qū)@鸘S5290393[69]而被載入美國國家發(fā)明家名人堂。文獻[70]重點介紹了UCSB美籍華裔校長(任期始于1994年)楊祖佑(Henry Tzu-Yow Yang,1940.11.29重慶—)多次遠赴日本力聘中村修二教授之事,并說“2004年,中村修二成為諾貝爾獎得主”。實際上,直到2014年中村修二才成為諾獎得主。筆者認為:給LED領(lǐng)域頒發(fā)諾獎,竟然遺漏“LED之父”何倫亞克,顯失公允,也不符合諾貝爾自然科學(xué)獎一貫注重原創(chuàng)性的頒獎原則和精神。若按原創(chuàng)性貢獻論,筆者甚至認為何倫亞克應(yīng)該獲得1/2份諾獎獎金。
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