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激光器的由来
点击次数:419 发布时间:2016-12-27

历史由来

激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程,从而获得产生、放大相干的红外线、可见光线和紫外线(以至X射线和γ射线)的能力。

激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。激光器的诞生史大致可以分为几个阶段,其中1916年爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。这一理论指出,处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用,将转变到低能态,并产生第二个光子,同*个光子同时发射出来,这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大,而且是相干光,即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。

发展阶段

此后,量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构及运动规律有了更深入的认识,微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等问题也得到了更有力的证明,这也在客观上更加完善了爱因斯坦的受激辐射理论,为激光器的产生进一步奠定了理论基础。20世纪40年代末,量子电子学诞生后,被很快应用于研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用,并研制出许多相应的器件。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条件。

如果一个系统中处于高能态的粒子数多于低能态的粒子数,就出现了粒子数的反转状态。那么只要有一个光子引发,就会迫使一个处于高能态的原子受激辐射出一个与之相同的光子,这两个光子又会引发其他原子受激辐射,这样就实现了光的放大;如果加上适当的谐振腔的反馈作用便形成光振荡,从而发射出激光。这就是激光器的工作原理。1951年,美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中成功地造成了粒子数反转,并获得了每秒50千赫的受激辐射。稍后,美国物理学家查尔斯·汤斯以及苏联物理学家马索夫和普罗霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激辐射原理来产生和放大微波的设计。

然而上述的微波波谱学理论和实验研究大都属于“纯科学”,对于激光器到底能否研制成功,在当时还是很渺茫的。

成熟阶段

但科学家的努力终究有了结果。1954年,前面提到的美国物理学家汤斯终于制成了*台氨分子束微波激射器,成功地开创了利用分子和原子体系作为微波辐射相干放大器或振荡器的先例。

汤斯等人研制的微波激射器只产生了1.25厘米波长的微波,功率很小。生产和科技不断发展的需要推动科学家们去探索新的发光机理,以产生新的性能优异的光源。1958年,汤斯与姐夫阿瑟·肖洛将微波激射器与光学、光谱学的理论知识结合起来,提出了采用开式谐振腔的关键性建议,并预防了激光的相干性、方向性、线宽和噪音等性质。同期,巴索夫和普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案。

此后,世界上许多实验室都被卷入了一场激烈的研制竞赛,看谁能成功制造并运转世界上*台激光器。

1960年,美国物理学家西奥多·梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里,勉强赢得了这场世界范围内的研制竞赛。他用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的铬原子,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使这一点达到比太阳还高的温度。

“梅曼设计”引起了科学界的震惊和怀疑,因为科学家们一直在注视和期待着的是氦氖激光器。

尽管梅曼是*个将激光引入实用领域的科学家,但在法庭上,关于到底是谁发明了这项技术的争论,曾一度引起很大争议。竞争者之一就是“激光”(“受激辐射式光频放大器”的缩略词)一词的戈登·古尔德。他在1957年攻读哥伦比亚大学博士学位时提出了这个词。与此同时,微波激射器的汤斯与肖洛也发展了有关激光的概念。经法庭zui终判决,汤斯因研究的书面工作早于古尔德9个月而成为胜者。不过梅曼的激光器的发明权却未受到动摇。

1960年12月,出生于伊朗的美国科学家贾万率人终于成功地制造并运转了全世界*台气体激光器——氦氖激光器。1962年,有三组科学家几乎同时发明了半导体激光器。1966年,科学家们又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。此外,还有输出能量大、功率高,而且不依赖电网的化学激光器等纷纷问世。

主要用途

由于激光器具备的种种突出特点,因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面,并在许多领域引起了革命性的突破。激光在军事上除用于通信、夜视、预警、测距等方面外,多种激光武器和激光制导武器也已经投入实用。

1、激光用作热源。激光光束细小 ,且带着巨大的功率,如用透镜聚焦,可将能量集中到微小的面积上,产生巨大的热量。比如,人们利用激光集中而极高的能量,可以对各种材料进行加工,能够做到在一个针头上钻200个孔;激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段,已在医疗、农业的实际应用上取得了良好效果。

2、激光测距。激光作为测距光源,由于方向性好、功率大,可测很远的距离,且精度很高。

3、激光通信。在通信领域,一条用激光柱传送信号的光导电缆,可以携带相当于2万根铜线所携带的信息量。

4、受控核聚空中的应用。将激光射到氘与氚混合体中,激光所带给它们巨大能量,产生高压与高温,促使两种原子核聚合为氦和中子,并同时放出巨大辐射能量。由于激光能量可控制,所以该过程称为受控核聚变。

今后,随着人类对激光技术的进一步研究和发展,激光器的性能将进一步提升,成本将进一步降低,但是它的应用范围却还将继续扩大,并将发挥出越来越巨大的作用。

激光指示器是以激光作为指示用途的小型低功率激光器,属于一般民用品,也称为激光笔、指星笔等。是一种用途广泛的产品:教学、科研单位作为教学、学术报告、会议等场合配合视像设备作为指示用;军事单位用于配合大屏幕指挥系统指示;旅游单位用于导游讲解;建筑及装修监理单位用于建筑、装修验收时的指示等。某些场合还可将其固定作为定向工具;亦可将其作为礼品。

未来展望

染料激光器的激励源是光泵,可以用脉冲氙灯,也可以用氮分子激光器发出的激光。用一种颜色的激光作光泵,结果能产生其他颜色的激光可以说是染料激光器的特点之一。

这种根据需要可以随时改变产生激光的波长的激光器,主要用于光谱学研究;许多物质会有选择地吸收某些波长的光,产生共振现象。科学家用这些现象分析物质,了解材料结构;还用这些激光器来产生新的激光,研究一些奇异的光学和光谱学现象。

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