1964年(nian)(nian)10月,中國(guo)科學(xue)(xue)院(yuan)長春光(guang)(guang)機(ji)所主辦的(de)《光(guang)(guang)受(shou)激(ji)(ji)發(fa)射情報》(其前身為(wei)(wei)(wei)(wei)《光(guang)(guang)量(liang)子放大(da)專刊》)雜志(zhi)編(bian)輯部致(zhi)信錢(qian)學(xue)(xue)森(sen),請(qing)他為(wei)(wei)(wei)(wei)LASER取一個中文名字,錢(qian)學(xue)(xue)森(sen)建(jian)議中文名為(wei)(wei)(wei)(wei)“激(ji)(ji)光(guang)(guang)”。同年(nian)(nian)12月,上(shang)海(hai)召(zhao)開第三(san)屆光(guang)(guang)量(liang)子放大(da)器學(xue)(xue)術會議,由嚴濟(ji)慈主持(chi),討論后(hou)正式(shi)采納錢(qian)學(xue)(xue)森(sen)的(de)建(jian)議,將“通過輻射受(shou)激(ji)(ji)發(fa)射的(de)光(guang)(guang)放大(da)”的(de)英文縮寫LASER正式(shi)翻譯為(wei)(wei)(wei)(wei)“激(ji)(ji)光(guang)(guang)”。隨后(hou),《光(guang)(guang)受(shou)激(ji)(ji)發(fa)射情報》雜志(zhi)也(ye)改名為(wei)(wei)(wei)(wei)《激(ji)(ji)光(guang)(guang)情報》
光(guang)與物質(zhi)的(de)相互作用,實(shi)質(zhi)上(shang)是(shi)組成物質(zhi)的(de)微觀粒子(zi)吸收或輻(fu)射光(guang)子(zi),同時改變自身運動狀況的(de)表現。
微觀粒(li)子都具有特(te)定的(de)(de)一(yi)套能(neng)級(通常這些能(neng)級是分(fen)立的(de)(de))。任一(yi)時刻粒(li)子只能(neng)處在(zai)與某一(yi)能(neng)級相對應的(de)(de)狀態(或者簡(jian)單地表述(shu)為處在(zai)某一(yi)個(ge)能(neng)級上(shang))。與光(guang)(guang)(guang)子相互作用(yong)時,粒(li)子從一(yi)個(ge)能(neng)級躍遷到另一(yi)個(ge)能(neng)級,并(bing)相應地吸收或輻射光(guang)(guang)(guang)子。光(guang)(guang)(guang)子的(de)(de)能(neng)量(liang)值為此兩能(neng)級的(de)(de)能(neng)量(liang)差△E,頻(pin)率為ν=△E/h(h為普朗克常量(liang))。
1.受激吸收(簡稱吸收)
處于較低能級(ji)的粒子(zi)在受到(dao)外界的激發(fa)(即與(yu)其他的粒子(zi)發(fa)生了有(you)能量交換的相互作用,如與(yu)光子(zi)發(fa)生非彈
性碰撞),吸收(shou)了能量時,躍遷到與此(ci)能量相對(dui)應的較高(gao)能級。這(zhe)種躍遷稱為受激吸收(shou)。
2.自發輻射
粒(li)子(zi)(zi)受到激發(fa)(fa)(fa)(fa)而進入(ru)的(de)(de)(de)激發(fa)(fa)(fa)(fa)態(tai),不是(shi)粒(li)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)穩定狀態(tai),如存在著可以(yi)接納粒(li)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)較低能級,即使沒(mei)有外界(jie)作用,粒(li)子(zi)(zi)也(ye)有一定的(de)(de)(de)概(gai)率,自(zi)發(fa)(fa)(fa)(fa)地(di)從(cong)高(gao)能級激發(fa)(fa)(fa)(fa)態(tai)(E2)向低能級基(ji)態(tai)(E1)躍(yue)遷,同時輻(fu)射(she)出(chu)能量為(E2-E1)的(de)(de)(de)光(guang)子(zi)(zi),光(guang)子(zi)(zi)頻率 ν=(E2-E1)/h。這種輻(fu)射(she)過程稱為自(zi)發(fa)(fa)(fa)(fa)輻(fu)射(she)。眾多原子(zi)(zi)以(yi)自(zi)發(fa)(fa)(fa)(fa)輻(fu)射(she)發(fa)(fa)(fa)(fa)出(chu)的(de)(de)(de)光(guang),不具有相位、偏振態(tai)、傳播方(fang)向上的(de)(de)(de)一致(zhi),是(shi)物(wu)理上所說的(de)(de)(de)非相干光(guang)。
3.受(shou)激輻射(she)、激光
1917年愛因斯坦從理論(lun)上指出:除自發輻射外(wai),處(chu)于(yu)高能級(ji)E2上的粒子(zi)還可以另(ling)一方式躍遷到較低能級(ji)。他指出當(dang)頻(pin)率為(wei) ν=(E2-E1)/h的光(guang)子(zi)入射時(shi),也會引(yin)發粒子(zi)以一定的概率,迅速地從能級(ji)E2躍遷到能級(ji)E1,同(tong)時(shi)輻射一個與外(wai)來光(guang)子(zi)頻(pin)率、相位、偏振態以及傳播方向都(dou)相同(tong)的光(guang)子(zi),這個過(guo)程(cheng)稱(cheng)為(wei)受激輻射。
可以(yi)設想,如果大(da)量原(yuan)子處(chu)在高能級(ji)E2上(shang),當有(you)一個(ge)頻率 ν=(E2-E1)/h的(de)光(guang)子入射,從而激勵(li)E2上(shang)的(de)原(yuan)子產生(sheng)受激輻射,得(de)到兩(liang)(liang)個(ge)特征完全相(xiang)同(tong)的(de)光(guang)子,這兩(liang)(liang)個(ge)光(guang)子再激勵(li)E2能級(ji)上(shang)原(yuan)子,又使其(qi)產生(sheng)受激輻射,可得(de)到四個(ge)特征相(xiang)同(tong)的(de)光(guang)子,這意味著原(yuan)來(lai)的(de)光(guang)信號被(bei)(bei)放大(da)了。這種在受激輻射過程中產生(sheng)并被(bei)(bei)放大(da)的(de)光(guang)就是激光(guang)。
愛因斯坦1917提出受激輻射,激光器卻在1960年問世,相隔43年,為什么?主要原因是,普通光源中粒子產生受激輻射的概率極小。當頻率一定的光射入工作物質時,受激輻射和受激吸收兩過程同時存在,受激輻射使光子數增加,受激吸收卻使光子數減小。物質處于熱平衡態時,粒子在各能級上的分布,遵循平衡態下粒子的統計(ji)分(fen)布(bu)(bu)律(lv)。按(an)統(tong)計(ji)分(fen)布(bu)(bu)規律(lv),處在(zai)(zai)較低能級(ji)E1的(de)粒(li)子(zi)數(shu)(shu)(shu)必(bi)大于(yu)處在(zai)(zai)較高能級(ji)E2的(de)粒(li)子(zi)數(shu)(shu)(shu)。這樣(yang)光穿過(guo)工作物(wu)質時(shi)(shi),光的(de)能量只會減弱不會加強。要想使(shi)受激(ji)輻(fu)射(she)占優(you)勢,必(bi)須使(shi)處在(zai)(zai)高能級(ji)E2的(de)粒(li)子(zi)數(shu)(shu)(shu)大于(yu)處在(zai)(zai)低能級(ji)E1的(de)粒(li)子(zi)數(shu)(shu)(shu)。這種分(fen)布(bu)(bu)正(zheng)好與平(ping)衡態(tai)時(shi)(shi)的(de)粒(li)子(zi)分(fen)布(bu)(bu)相(xiang)反,稱(cheng)為粒(li)子(zi)數(shu)(shu)(shu)反轉分(fen)布(bu)(bu),簡稱(cheng)粒(li)子(zi)數(shu)(shu)(shu)反轉。如何(he)從(cong)技術上實(shi)現粒(li)子(zi)數(shu)(shu)(shu)反轉是產生激(ji)光的(de)必(bi)要條件。
理論研究表明,任何工作物質,在適當的激勵條件下,可在粒子體系的特定高低能級間實現粒子數反轉。若原子或分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1,E2和E1能級上的布居數密度為N2和N1,在兩能級間存在著自發發射躍遷、受激發射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發射躍遷所產生的受激發射光,與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此,大量粒子在同一相干輻射場激發下產生的受激發射光是相干的。受激發射躍遷幾率和受激吸收躍遷幾率均正比于入射輻射場的單色能量密度。當兩個能級的統計權重相等時,兩種過程的幾率相等。在熱平衡情況下N2
激光的理論基礎起源于物理學家愛因斯坦,1917年愛因斯坦提出了一套全新的技術理論‘光與物質相互作用’。這一(yi)理論是(shi)說在組成物質的(de)原子(zi)中(zhong),有不同(tong)(tong)數量的(de)粒子(zi)(電子(zi))分布在不同(tong)(tong)的(de)能(neng)(neng)級上,在高(gao)能(neng)(neng)級上的(de)粒子(zi)受(shou)到(dao)某(mou)種(zhong)光子(zi)的(de)激(ji)發(fa),會(hui)從(cong)高(gao)能(neng)(neng)級跳到(dao)(躍(yue)遷)到(dao)低能(neng)(neng)級上,這時(shi)將會(hui)輻(fu)射出(chu)與激(ji)發(fa)它的(de)光相同(tong)(tong)性質的(de)光,而且在某(mou)種(zhong)狀態(tai)下(xia),能(neng)(neng)出(chu)現一(yi)個弱光激(ji)發(fa)出(chu)一(yi)個強光的(de)現象。這就叫做“受(shou)激(ji)輻(fu)射的(de)光放大”,簡(jian)稱激(ji)光。
1951年,美國(guo)物理學(xue)家查爾(er)斯·哈德·湯斯設想(xiang)(xiang)如果用分(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi),而不(bu)用電子(zi)(zi)(zi)線路,就可(ke)以(yi)得到(dao)波(bo)長(chang)足夠小(xiao)的(de)(de)(de)無線電波(bo)。分(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)具有(you)(you)各(ge)種不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)振(zhen)動(dong)形式,有(you)(you)些(xie)分(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)振(zhen)動(dong)正好和微(wei)波(bo)波(bo)段范圍的(de)(de)(de)輻射(she)相(xiang)(xiang)同(tong)。問題是如何(he)將這些(xie)振(zhen)動(dong)轉(zhuan)(zhuan)變為輻射(she)。就氨(an)(an)(an)分(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)來說,在適當的(de)(de)(de)條件下,它(ta)(ta)每秒振(zhen)動(dong)24,000,000,000次(24GHz),因此有(you)(you)可(ke)能(neng)發(fa)(fa)射(she)波(bo)長(chang)為1.25厘米的(de)(de)(de)微(wei)波(bo)。 他設想(xiang)(xiang)通過熱或電的(de)(de)(de)方法,把能(neng)量(liang)(liang)泵入(ru)氨(an)(an)(an)分(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)中(zhong),使它(ta)(ta)們(men)處(chu)于“激發(fa)(fa)“狀態。然(ran)后(hou),再設想(xiang)(xiang)使這些(xie)受激的(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)處(chu)于具有(you)(you)和氨(an)(an)(an)分(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)固(gu)有(you)(you)頻率相(xiang)(xiang)同(tong)的(de)(de)(de)微(wei)波(bo)束(shu)中(zhong)---這個(ge)微(wei)波(bo)束(shu)的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)可(ke)以(yi)是很微(wei)弱(ruo)的(de)(de)(de)。一個(ge)單獨(du)的(de)(de)(de)氨(an)(an)(an)分(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)就會受到(dao)這一微(wei)波(bo)束(shu)的(de)(de)(de)作用,以(yi)同(tong)樣波(bo)長(chang)的(de)(de)(de)束(shu)波(bo)形式放出它(ta)(ta)的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang),這一能(neng)量(liang)(liang)又繼而作用于另(ling)一個(ge)氨(an)(an)(an)分(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi),使它(ta)(ta)也放出能(neng)量(liang)(liang)。這個(ge)很微(wei)弱(ruo)的(de)(de)(de)入(ru)射(she)微(wei)波(bo)束(shu)相(xiang)(xiang)當于起(qi)立腳點(dian)對一場雪崩的(de)(de)(de)促(cu)發(fa)(fa)作用,最后(hou)就會產生一個(ge)很強的(de)(de)(de)微(wei)波(bo)束(shu)。最初用來激發(fa)(fa)分(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)就全部(bu)轉(zhuan)(zhuan)變為一種特(te)殊的(de)(de)(de)輻射(she)。
1953年12月(yue),湯斯和他的(de)(de)學(xue)生阿瑟·肖洛終于制成了按(an)(an)上述原理工(gong)作的(de)(de)的(de)(de)一個裝置,產生了所需(xu)要的(de)(de)微波(bo)束(shu)。這個過(guo)程被稱(cheng)為(wei)“受激輻射的(de)(de)微波(bo)放(fang)大”。按(an)(an)其英文的(de)(de)首字母縮寫(xie)(xie)為(wei)M.A.S.E.R,并(bing)由之造出了單詞“maser”(脈(mo)澤)(這樣的(de)(de)單詞稱(cheng)為(wei)首字母縮寫(xie)(xie)詞,在技術語(yu)中越來(lai)越普遍使用)。
1958年(nian),美國科學(xue)家(jia)肖洛(luo)(Schawlow)和湯斯(Townes)發(fa)現了一種神奇(qi)的(de)現象:當他們將氖光燈泡(pao)所發(fa)射的(de)光照在一種稀土晶(jing)體(ti)上時,晶(jing)體(ti)的(de)分(fen)子會發(fa)出鮮艷的(de)、始終會聚在一起的(de)強光。根(gen)據這(zhe)一現象,他們提出了"激(ji)光原理(li)",即物(wu)質在受到(dao)與其分(fen)子固(gu)有振(zhen)蕩頻率相(xiang)同的(de)能量激(ji)發(fa)時,都會產生這(zhe)種不(bu)發(fa)散的(de)強光--激(ji)光。他們為此發(fa)表了重要論文,并獲得1964年(nian)的(de)諾貝爾物(wu)理(li)學(xue)獎。
1960年5月15日,美(mei)國加(jia)利福尼(ni)亞州休斯實驗室的(de)科學家梅(mei)曼宣布獲(huo)得(de)了波長為0.6943微米的(de)激(ji)光,這是(shi)人類有史以來獲(huo)得(de)的(de)第一束激(ji)光,梅(mei)曼因(yin)而也成(cheng)為世界上第一個將(jiang)激(ji)光引(yin)入實用領域(yu)的(de)科學家。
1960年(nian)7月7日,西(xi)奧(ao)多(duo)·梅(mei)曼宣(xuan)布世界上第一(yi)(yi)臺激光(guang)(guang)器誕生(sheng)(sheng),梅(mei)曼的方案(an)是(shi),利用一(yi)(yi)個(ge)高(gao)強閃光(guang)(guang)燈管,來激發紅寶石。由于紅寶石其(qi)實在物(wu)理上只是(shi)一(yi)(yi)種(zhong)摻有(you)鉻原子的剛玉(yu),所以(yi)當(dang)(dang)紅寶石受到刺激時(shi),就會發出(chu)(chu)一(yi)(yi)種(zhong)紅光(guang)(guang)。在一(yi)(yi)塊表面鍍上反光(guang)(guang)鏡的紅寶石的表面鉆一(yi)(yi)個(ge)孔,使(shi)紅光(guang)(guang)可以(yi)從這個(ge)孔溢出(chu)(chu),從而(er)產生(sheng)(sheng)一(yi)(yi)條相當(dang)(dang)集中的纖細(xi)紅色光(guang)(guang)柱,當(dang)(dang)它射向某一(yi)(yi)點時(shi),可使(shi)其(qi)達(da)到比(bi)太陽表面還高(gao)的溫度。
前蘇聯科(ke)學家尼(ni)古拉·巴索夫于1960年發明了半導體(ti)激(ji)光(guang)器。半導體(ti)激(ji)光(guang)器的結(jie)構通常由p層(ceng)、n層(ceng)和形成(cheng)雙異質結(jie)的有源層(ceng)構成(cheng)。其特點(dian)是(shi):尺寸(cun)小、耦合效率高、響應(ying)速度(du)快、波(bo)長(chang)和尺寸(cun)與光(guang)纖尺寸(cun)適配、可直接調(diao)制、相干性好。
激光系統可(ke)分為連續(xu)波激光器和脈沖(chong)激光器。
大事年表
1917年:愛(ai)因斯(si)坦提(ti)出(chu)“受(shou)激發射”理論,一個光子(zi)使得受(shou)激原子(zi)發出(chu)一個相(xiang)同的光子(zi)。
1953年:美國物理學家Charles Townes用微波(bo)實(shi)現(xian)了激(ji)光器的前身(shen):微波(bo)受激(ji)發射放大(英文首字(zi)母(mu)縮寫maser)。
1957年(nian):Townes的博士生(sheng)Gordon Gould創造了(le)(le)“laser”這個單詞,從(cong)理(li)論上指出(chu)可以用光激發(fa)原子,產生(sheng)一束相(xiang)干光束,之后(hou)人們為(wei)其申請(qing)了(le)(le)專(zhuan)利,相(xiang)關法律糾紛維(wei)持了(le)(le)近(jin)30年(nian)。
1960年(nian):美國(guo)加州Hughes 實驗室(shi)的Theodore Maiman實現了第一束激(ji)光。
1961年:激光首次在外科手(shou)術中用于殺滅視網膜腫瘤。
1962年:發(fa)明半導(dao)體二極(ji)管(guan)激光器,這是(shi)今天小型商用(yong)激光器的支(zhi)柱。
1969年:激光(guang)用于遙感勘測(ce),激光(guang)被射(she)向(xiang)阿波羅11號放在月(yue)(yue)球表面(mian)的反射(she)器,測(ce)得的地月(yue)(yue)距離誤差在幾米范圍(wei)內。
1971年:激光(guang)(guang)進入藝(yi)術世界(jie),用于舞臺(tai)光(guang)(guang)影效果,以及激光(guang)(guang)全(quan)息(xi)攝(she)像(xiang)。英國籍匈(xiong)牙利裔物理(li)學家Dennis Gabor憑借(jie)對全(quan)息(xi)攝(she)像(xiang)的研究獲(huo)得諾貝(bei)爾獎。
1974年:第一個超市條形(xing)碼掃描(miao)器出現。
1975年:IBM投(tou)放第一臺商用激光打印機。
1978年:飛利(li)浦制造出(chu)第一(yi)臺激光(guang)盤(LD)播放(fang)機,不過(guo)價格很高(gao)。
1982年(nian):第(di)一臺緊湊碟(die)片(CD)播放(fang)機出現,第(di)一部CD盤是美國歌手Billy Joel在1978年(nian)的專輯52nd Street。
1983年:里根總統發表了“星(xing)球(qiu)大戰”的演講,描繪了基(ji)于太空的激光武器(qi)。
1988年:北美和歐洲間架(jia)設了第一根光纖(xian),用光脈沖(chong)來(lai)傳輸(shu)數據。
1990年(nian):激光用于制(zhi)造業(ye),包(bao)括集成電路(lu)和(he)汽車制(zhi)造。
1991年:第(di)一(yi)次(ci)用(yong)激光(guang)治(zhi)療近(jin)視,海灣戰爭中第(di)一(yi)次(ci)用(yong)激光(guang)制導(dao)導(dao)彈(dan)。
1996年:東芝(zhi)推出(chu)數(shu)字多用途光盤(pan)(DVD)播放器。
2008年:法國(guo)神經(jing)外科(ke)學(xue)家使用廣導纖維激光和微創(chuang)手(shou)術技術治療了腦瘤。
2010年:美國(guo)國(guo)家核安全管理局(NNSA)表(biao)示,通過使用(yong)192束激(ji)光來束縛核聚變(bian)的(de)反(fan)應(ying)原(yuan)料(liao)、氫的(de)同位素氘(質量數2)和氚(chuan)(質量數3),解(jie)決了核聚變(bian)的(de)一個關鍵困(kun)難。
2011年(nian)3月,研究(jiu)人員研制的一種牽引波激光器能(neng)夠移(yi)動物體,未(wei)來有望能(neng)移(yi)動太空飛船。
2013年1月,科(ke)學家已經成功(gong)研制(zhi)出可用(yong)于醫學檢測的(de)牽引光束。
2014年(nian)6月5日美(mei)國航天局利(li)用激光束把一段時(shi)長(chang)37秒(miao)、名為(wei)“你好,世界!”的高清視頻,只用了(le)3.5秒(miao)就成功傳回,相當于傳輸速率達到每(mei)秒(miao)50兆(zhao),而傳統技術下(xia)載(zai)需要(yao)至少10分鐘。