1964年10月(yue),中(zhong)國科(ke)學(xue)院長春(chun)光(guang)(guang)機所(suo)主(zhu)辦的(de)(de)《光(guang)(guang)受激(ji)(ji)發射(she)情(qing)報(bao)》(其前身為(wei)《光(guang)(guang)量子放大(da)專(zhuan)刊》)雜志(zhi)編輯部致信錢學(xue)森,請他為(wei)LASER取一個中(zhong)文(wen)名字,錢學(xue)森建議中(zhong)文(wen)名為(wei)“激(ji)(ji)光(guang)(guang)”。同年12月(yue),上海召開第(di)三屆光(guang)(guang)量子放大(da)器學(xue)術會議,由(you)嚴濟慈主(zhu)持,討論后正(zheng)式(shi)采納(na)錢學(xue)森的(de)(de)建議,將“通過(guo)輻射(she)受激(ji)(ji)發射(she)的(de)(de)光(guang)(guang)放大(da)”的(de)(de)英文(wen)縮寫LASER正(zheng)式(shi)翻譯為(wei)“激(ji)(ji)光(guang)(guang)”。隨后,《光(guang)(guang)受激(ji)(ji)發射(she)情(qing)報(bao)》雜志(zhi)也(ye)改名為(wei)《激(ji)(ji)光(guang)(guang)情(qing)報(bao)》
光與(yu)物質(zhi)的相互作用,實(shi)質(zhi)上是組成(cheng)物質(zhi)的微觀粒子吸收(shou)或輻(fu)射光子,同時改變自身運動狀(zhuang)況的表現。
微觀(guan)粒(li)子(zi)都具有(you)特定(ding)的一(yi)套能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)級(ji)(通常這些能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)級(ji)是分立的)。任一(yi)時刻粒(li)子(zi)只能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)處在(zai)與某(mou)一(yi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)級(ji)相對應的狀(zhuang)態(或者簡單(dan)地(di)表述為處在(zai)某(mou)一(yi)個能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)級(ji)上)。與光子(zi)相互作用時,粒(li)子(zi)從一(yi)個能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)級(ji)躍遷到另一(yi)個能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)級(ji),并相應地(di)吸收或輻射光子(zi)。光子(zi)的能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)值為此兩能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)級(ji)的能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)差△E,頻率為ν=△E/h(h為普朗克常量(liang))。
1.受激(ji)吸收(簡稱吸收)
處(chu)于較低能(neng)級的(de)(de)粒子(zi)在受到(dao)外界(jie)的(de)(de)激發(fa)(fa)(即與(yu)其他的(de)(de)粒子(zi)發(fa)(fa)生了有能(neng)量交換的(de)(de)相互(hu)作用,如與(yu)光(guang)子(zi)發(fa)(fa)生非彈
性碰(peng)撞),吸收了(le)能量(liang)時,躍(yue)(yue)遷到與此能量(liang)相對應的較(jiao)高能級。這種躍(yue)(yue)遷稱為受激吸收。
2.自發輻射
粒(li)(li)子受到激發而進入(ru)的(de)(de)激發態,不是(shi)粒(li)(li)子的(de)(de)穩(wen)定(ding)(ding)狀(zhuang)態,如存在著可(ke)以接納粒(li)(li)子的(de)(de)較低能(neng)(neng)級(ji),即使沒有外界作用(yong),粒(li)(li)子也(ye)有一(yi)定(ding)(ding)的(de)(de)概(gai)率,自(zi)發地從高(gao)能(neng)(neng)級(ji)激發態(E2)向低能(neng)(neng)級(ji)基態(E1)躍遷,同時輻(fu)射(she)出(chu)能(neng)(neng)量為(E2-E1)的(de)(de)光(guang)(guang)子,光(guang)(guang)子頻率 ν=(E2-E1)/h。這種輻(fu)射(she)過程稱(cheng)為自(zi)發輻(fu)射(she)。眾多(duo)原(yuan)子以自(zi)發輻(fu)射(she)發出(chu)的(de)(de)光(guang)(guang),不具有相位(wei)、偏振態、傳(chuan)播方向上(shang)的(de)(de)一(yi)致,是(shi)物(wu)理上(shang)所說(shuo)的(de)(de)非相干(gan)光(guang)(guang)。
3.受激(ji)輻(fu)射、激(ji)光
1917年愛(ai)因斯坦從(cong)(cong)理(li)論上指出:除自發輻(fu)射(she)(she)外,處于高能級(ji)E2上的粒(li)子(zi)(zi)還(huan)可以(yi)另一(yi)方(fang)式躍遷到(dao)較低能級(ji)。他(ta)指出當頻率(lv)為 ν=(E2-E1)/h的光子(zi)(zi)入射(she)(she)時(shi),也會引(yin)發粒(li)子(zi)(zi)以(yi)一(yi)定的概率(lv),迅速地(di)從(cong)(cong)能級(ji)E2躍遷到(dao)能級(ji)E1,同時(shi)輻(fu)射(she)(she)一(yi)個與外來光子(zi)(zi)頻率(lv)、相位、偏(pian)振態以(yi)及傳(chuan)播(bo)方(fang)向都(dou)相同的光子(zi)(zi),這個過程稱(cheng)為受激輻(fu)射(she)(she)。
可以設想,如果大(da)量原(yuan)子(zi)(zi)處在(zai)高(gao)能級E2上,當有(you)一個頻率 ν=(E2-E1)/h的(de)光(guang)子(zi)(zi)入(ru)射(she),從而激(ji)(ji)勵E2上的(de)原(yuan)子(zi)(zi)產生受(shou)激(ji)(ji)輻(fu)射(she),得(de)到兩個特(te)征完全相同的(de)光(guang)子(zi)(zi),這(zhe)兩個光(guang)子(zi)(zi)再激(ji)(ji)勵E2能級上原(yuan)子(zi)(zi),又(you)使(shi)其產生受(shou)激(ji)(ji)輻(fu)射(she),可得(de)到四個特(te)征相同的(de)光(guang)子(zi)(zi),這(zhe)意味著(zhu)原(yuan)來的(de)光(guang)信號被放(fang)大(da)了。這(zhe)種在(zai)受(shou)激(ji)(ji)輻(fu)射(she)過(guo)程(cheng)中產生并被放(fang)大(da)的(de)光(guang)就是激(ji)(ji)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分(fen)(fen)布律(lv)。按統計分(fen)(fen)布規律(lv),處(chu)在(zai)較低(di)能(neng)(neng)級(ji)E1的粒(li)子(zi)(zi)數(shu)(shu)必(bi)大于處(chu)在(zai)較高能(neng)(neng)級(ji)E2的粒(li)子(zi)(zi)數(shu)(shu)。這(zhe)樣(yang)光(guang)(guang)穿過工作物質時,光(guang)(guang)的能(neng)(neng)量(liang)只(zhi)會(hui)減弱不會(hui)加強。要想使(shi)受激輻射占優勢,必(bi)須(xu)使(shi)處(chu)在(zai)高能(neng)(neng)級(ji)E2的粒(li)子(zi)(zi)數(shu)(shu)大于處(chu)在(zai)低(di)能(neng)(neng)級(ji)E1的粒(li)子(zi)(zi)數(shu)(shu)。這(zhe)種分(fen)(fen)布正好與平衡態(tai)時的粒(li)子(zi)(zi)分(fen)(fen)布相反(fan)(fan),稱為(wei)粒(li)子(zi)(zi)數(shu)(shu)反(fan)(fan)轉分(fen)(fen)布,簡稱粒(li)子(zi)(zi)數(shu)(shu)反(fan)(fan)轉。如何從技(ji)術上實現粒(li)子(zi)(zi)數(shu)(shu)反(fan)(fan)轉是產生激光(guang)(guang)的必(bi)要條(tiao)件(jian)。
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(zhe)一(yi)理論(lun)是說在組成物質的(de)(de)(de)原子(zi)(zi)中,有不(bu)同(tong)(tong)數量的(de)(de)(de)粒子(zi)(zi)(電子(zi)(zi))分布在不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)能(neng)級上(shang),在高(gao)能(neng)級上(shang)的(de)(de)(de)粒子(zi)(zi)受(shou)到某(mou)種光(guang)(guang)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)激(ji)發(fa),會從高(gao)能(neng)級跳(tiao)到(躍遷)到低能(neng)級上(shang),這(zhe)時將會輻(fu)射出(chu)(chu)與激(ji)發(fa)它的(de)(de)(de)光(guang)(guang)相同(tong)(tong)性(xing)質的(de)(de)(de)光(guang)(guang),而(er)且在某(mou)種狀態(tai)下,能(neng)出(chu)(chu)現一(yi)個弱光(guang)(guang)激(ji)發(fa)出(chu)(chu)一(yi)個強光(guang)(guang)的(de)(de)(de)現象。這(zhe)就叫做“受(shou)激(ji)輻(fu)射的(de)(de)(de)光(guang)(guang)放大”,簡(jian)稱激(ji)光(guang)(guang)。
1951年,美國物(wu)理學家查爾斯·哈德(de)·湯斯設想如果用(yong)(yong)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi),而不用(yong)(yong)電(dian)子(zi)(zi)(zi)線(xian)路(lu),就可(ke)以(yi)得(de)到波(bo)(bo)(bo)長足夠小的(de)無線(xian)電(dian)波(bo)(bo)(bo)。分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)具(ju)有(you)(you)各種不同(tong)(tong)(tong)的(de)振動(dong)(dong)(dong)形式,有(you)(you)些分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)振動(dong)(dong)(dong)正好和微(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)波(bo)(bo)(bo)段范(fan)圍(wei)的(de)輻射相同(tong)(tong)(tong)。問題是如何將這(zhe)(zhe)些振動(dong)(dong)(dong)轉(zhuan)變為(wei)輻射。就氨(an)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)來(lai)說,在適當的(de)條件下,它(ta)(ta)每秒振動(dong)(dong)(dong)24,000,000,000次(24GHz),因此有(you)(you)可(ke)能(neng)發射波(bo)(bo)(bo)長為(wei)1.25厘米(mi)的(de)微(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)。 他(ta)設想通(tong)過(guo)熱(re)或(huo)電(dian)的(de)方法,把能(neng)量(liang)(liang)泵入(ru)氨(an)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)中,使它(ta)(ta)們(men)處(chu)于“激發“狀態。然后,再設想使這(zhe)(zhe)些受激的(de)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)處(chu)于具(ju)有(you)(you)和氨(an)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)固有(you)(you)頻率(lv)相同(tong)(tong)(tong)的(de)微(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)束中---這(zhe)(zhe)個微(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)束的(de)能(neng)量(liang)(liang)可(ke)以(yi)是很(hen)(hen)微(wei)(wei)弱的(de)。一(yi)個單獨的(de)氨(an)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)就會受到這(zhe)(zhe)一(yi)微(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)束的(de)作用(yong)(yong),以(yi)同(tong)(tong)(tong)樣(yang)波(bo)(bo)(bo)長的(de)束波(bo)(bo)(bo)形式放(fang)出(chu)它(ta)(ta)的(de)能(neng)量(liang)(liang),這(zhe)(zhe)一(yi)能(neng)量(liang)(liang)又(you)繼而作用(yong)(yong)于另(ling)一(yi)個氨(an)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi),使它(ta)(ta)也放(fang)出(chu)能(neng)量(liang)(liang)。這(zhe)(zhe)個很(hen)(hen)微(wei)(wei)弱的(de)入(ru)射微(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)束相當于起立腳點(dian)對一(yi)場雪崩的(de)促發作用(yong)(yong),最(zui)后就會產生一(yi)個很(hen)(hen)強的(de)微(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)束。最(zui)初(chu)用(yong)(yong)來(lai)激發分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)能(neng)量(liang)(liang)就全部轉(zhuan)變為(wei)一(yi)種特(te)殊的(de)輻射。
1953年12月,湯斯(si)和他的學生阿瑟(se)·肖洛終于制成了按(an)上(shang)述(shu)原理工作的的一個裝置,產生了所需要的微(wei)波束。這(zhe)(zhe)個過(guo)程被稱為“受激輻射的微(wei)波放大”。按(an)其英文的首字母(mu)(mu)縮寫(xie)為M.A.S.E.R,并由之造出了單詞“maser”(脈(mo)澤)(這(zhe)(zhe)樣的單詞稱為首字母(mu)(mu)縮寫(xie)詞,在技(ji)術語中越(yue)來越(yue)普遍使用)。
1958年,美國科學(xue)家肖洛(luo)(Schawlow)和湯斯(Townes)發(fa)現(xian)了一(yi)(yi)種(zhong)神(shen)奇(qi)的現(xian)象:當他(ta)們(men)將氖光(guang)燈泡所發(fa)射(she)的光(guang)照在(zai)一(yi)(yi)種(zhong)稀(xi)土晶體(ti)上(shang)時,晶體(ti)的分(fen)子會(hui)發(fa)出鮮艷的、始(shi)終會(hui)聚在(zai)一(yi)(yi)起(qi)的強光(guang)。根據這一(yi)(yi)現(xian)象,他(ta)們(men)提出了"激光(guang)原理",即物質(zhi)在(zai)受到與(yu)其(qi)分(fen)子固有振蕩(dang)頻率(lv)相同的能量激發(fa)時,都會(hui)產生這種(zhong)不發(fa)散的強光(guang)--激光(guang)。他(ta)們(men)為此(ci)發(fa)表(biao)了重要論文,并獲得1964年的諾貝爾物理學(xue)獎。
1960年5月15日,美國(guo)加利(li)福尼(ni)亞(ya)州休斯實(shi)驗(yan)室的科學(xue)家梅曼宣布獲得了(le)波長為0.6943微(wei)米(mi)的激光(guang)(guang),這是人類有史(shi)以來獲得的第(di)一束激光(guang)(guang),梅曼因而也成為世(shi)界上第(di)一個將(jiang)激光(guang)(guang)引入實(shi)用(yong)領域的科學(xue)家。
1960年7月7日,西奧(ao)多·梅(mei)曼(man)宣布(bu)世界上(shang)第(di)一臺激光(guang)器誕生,梅(mei)曼(man)的方案是(shi),利用一個高(gao)強閃光(guang)燈管(guan),來激發(fa)紅(hong)(hong)(hong)寶石。由于紅(hong)(hong)(hong)寶石其(qi)實(shi)在物理(li)上(shang)只是(shi)一種摻有鉻原子的剛玉(yu),所以當紅(hong)(hong)(hong)寶石受到(dao)刺激時(shi),就會發(fa)出一種紅(hong)(hong)(hong)光(guang)。在一塊表面(mian)鍍上(shang)反光(guang)鏡的紅(hong)(hong)(hong)寶石的表面(mian)鉆(zhan)一個孔(kong)(kong),使(shi)紅(hong)(hong)(hong)光(guang)可(ke)以從這個孔(kong)(kong)溢(yi)出,從而(er)產生一條相當集(ji)中的纖細紅(hong)(hong)(hong)色(se)光(guang)柱,當它射(she)向某一點時(shi),可(ke)使(shi)其(qi)達(da)到(dao)比太(tai)陽表面(mian)還高(gao)的溫(wen)度。
前蘇(su)聯科學家尼(ni)古拉(la)·巴索夫(fu)于1960年(nian)發明(ming)了半(ban)導(dao)體激光(guang)器。半(ban)導(dao)體激光(guang)器的(de)結(jie)(jie)構(gou)通常由p層(ceng)、n層(ceng)和形成(cheng)雙異質結(jie)(jie)的(de)有源層(ceng)構(gou)成(cheng)。其(qi)特(te)點是:尺寸(cun)小、耦合(he)效率高、響應速度快、波長和尺寸(cun)與光(guang)纖尺寸(cun)適配、可直(zhi)接調制、相干(gan)性(xing)好。
激光系統可分為連續波激光器和脈沖激光器。
大事年表
1917年:愛因斯(si)坦(tan)提出(chu)“受激發(fa)射”理論,一(yi)個(ge)光(guang)子使(shi)得(de)受激原子發(fa)出(chu)一(yi)個(ge)相(xiang)同的光(guang)子。
1953年:美國物理(li)學家(jia)Charles Townes用微波(bo)(bo)實現了激光器的前身:微波(bo)(bo)受(shou)激發射放大(da)(英(ying)文首字母縮(suo)寫maser)。
1957年:Townes的博士生(sheng)Gordon Gould創造了(le)“laser”這(zhe)個(ge)單詞(ci),從理(li)論上指出可以用光激發原子(zi),產生(sheng)一束(shu)相干光束(shu),之(zhi)后人(ren)們為其申請了(le)專利,相關法律糾紛維持了(le)近30年。
1960年:美國(guo)加州Hughes 實驗室的Theodore Maiman實現了第(di)一束激光。
1961年(nian):激光首(shou)次在外科手術中用于殺滅視網膜腫(zhong)瘤。
1962年:發(fa)明(ming)半導體二極管激光器,這是今(jin)天小(xiao)型商(shang)用激光器的支(zhi)柱。
1969年:激(ji)光用于遙感勘(kan)測,激(ji)光被(bei)射向阿波羅(luo)11號放在月球表面的反射器(qi),測得(de)的地月距離誤差在幾(ji)米(mi)范圍內。
1971年(nian):激(ji)光(guang)(guang)進入藝術世界,用于舞(wu)臺光(guang)(guang)影效(xiao)果(guo),以及激(ji)光(guang)(guang)全息攝(she)像(xiang)。英(ying)國(guo)籍匈牙利裔物理學家(jia)Dennis Gabor憑借對全息攝(she)像(xiang)的研究獲得諾貝爾(er)獎。
1974年:第一個超市條形碼掃描器出現(xian)。
1975年:IBM投(tou)放第(di)一臺(tai)商用激光打印機。
1978年:飛利浦制造出第(di)一臺(tai)激光盤(LD)播放機,不過價(jia)格很高。
1982年:第一臺緊湊(cou)碟片(CD)播(bo)放機出(chu)現,第一部CD盤是(shi)美國歌手(shou)Billy Joel在(zai)1978年的專輯52nd Street。
1983年:里根總統發表了“星球大戰”的演講,描繪了基于太空的激光(guang)武器。
1988年:北美和(he)歐洲(zhou)間架設了第一根光(guang)(guang)纖,用(yong)光(guang)(guang)脈(mo)沖(chong)來(lai)傳輸數(shu)據。
1990年(nian):激(ji)光(guang)用(yong)于制造業(ye),包括(kuo)集成電(dian)路和汽車制造。
1991年:第一次用激光治療近視,海(hai)灣(wan)戰爭中(zhong)第一次用激光制導(dao)導(dao)彈。
1996年:東(dong)芝推出數字多(duo)用途光盤(DVD)播放器。
2008年:法國神經(jing)外(wai)科學(xue)家(jia)使用廣導(dao)纖維激光和微創手術(shu)技(ji)術(shu)治(zhi)療了(le)腦瘤。
2010年:美國國家核(he)(he)安(an)全管理(li)局(NNSA)表示,通過使用192束激光來束縛核(he)(he)聚變的反應原料、氫的同位素氘(質量數(shu)2)和氚(chuan)(質量數(shu)3),解決了核(he)(he)聚變的一個關鍵困難。
2011年3月,研究人員研制的一種牽(qian)引(yin)波激(ji)光器(qi)能夠移(yi)動物體,未來有望能移(yi)動太(tai)空飛船(chuan)。
2013年1月,科學家已經成功(gong)研(yan)制(zhi)出可用(yong)于醫學檢測(ce)的牽引光束。
2014年6月(yue)5日(ri)美國(guo)航天局利用(yong)激光(guang)束把一(yi)段時(shi)長37秒(miao)(miao)、名為“你好,世界!”的高清視頻,只用(yong)了(le)3.5秒(miao)(miao)就成(cheng)功傳(chuan)回,相當于傳(chuan)輸速率達到每秒(miao)(miao)50兆,而傳(chuan)統技術(shu)下載需要至少10分鐘。