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第99章 激光的发现与发展

◆当代科技的四大发明之一——激光

激光是20世纪最重大的科学技术成就之一。它的出现,标志着人类对光的认识和利用进入了一个新阶段,使古老的光学学科焕发出青春,推动了现代光学应用技术的革命性进展。激光从发明到应用的时间比任何技术发明的应用周期都短,从世界上第一台激光器出现,到实际应用,仅一年时间。由于激光技术广泛应用于许多尖端领域和国民经济部门,并取得了相当好的经济效益和社会效益。因此,它成为当前最活跃的高新技术之一,并与原子能、半导体、电子计算机一起被誉为当代科技的四大发明。

◆爱因斯坦奠定了激光器理论

世界上第一台激光器于1960年发明。然而,关于激光器的基础理论早在1919年就由著名科学家爱因斯坦奠定了。爱因斯坦在研究电磁波与原子系统相互作用时,提出了受激发射理论。这是激光理论的核心,是激光器得以发明和发展的理论基石。

◆激光器的基三结构

激光器由工作物质、泵浦源、谐振腔三部分组成。

工作物质是发射激光的材料,其功能和普通光源的发光材料(如白炽灯中的钨丝)相同。一般说来,任何光学透明的固体、气体、液体都可以作为激光器的工作物质。但是,如果所选用的材料其原子能级结构能满足某些要求,那么将使激光器获得诸如输出激光的功率高、输出激光的波长可连续变化等更好的性能。

泵浦源是向工作物质输入能量,把原子从基态泵浦至高能级状态的能源。常用的泵浦源有:普通光源(如氙灯、氪灯);气体放电(利用气体放电中产生的电子碰撞气体原子,把它泵浦至高能级);电子束;化学反应能(化学激光器就是利用化学反应的能量泵浦原子的产物)等。

谐振腔是由放置在工作物质两端的反射镜组成的系统,其中一块反射镜的反射率接近100%;另一块有适量的透过率,激光就从这块反射镜输出来。谐振腔的作用主要有两个方面:一个是让工作物质产生的受激辐射来回多次通过工作物质,增强受激强度,最后达到激光振荡;另一个是有选择地只让沿工作物质光轴附近传播的以及波长在原子谱线中心附近的受激辐射不断地受到工作物质放大,达到激光振荡。显然这有助于改善激光器的方向性和单色性。

◆新激光器的发明

继1960年发明红宝石固体激光器后,1961年美国科学家贾万发明氦氖气体激光器,1962年霍尔发明半导体激光器,1966年出现了频率可调的连续染料激光器。

◆世界上第一台激光器

1960年8月28日,人们第一次可以轻松地看到激光了。这种仪器是由美国休斯研究实验室的西奥多·梅曼研制的。这种称为“微波激射器”的仪器要归功于美国物理学家查尔斯·汤斯,因为它是在汤斯的“激光器”的基础上研制的。更有趣的是,“激光红宝石激光器剖面图器”这一发明竟然是汤斯在一次等待餐馆开门时而即兴想出来的主意。

这种仪器通过增强放射线的辐射来使微波放大,这一设想启发了梅曼对激光的研究。梅曼使用一个红宝石棒,让光来回弹跳,并输入能量使光增强以促进红宝石分子释放射线。光线达到一定强度时,便能穿透棒上镀银的一端,形成一束很强的可见光线。输出的光波长是6.943×10-7米(红色),国外科学家把这台特殊光源称作Laser(莱塞)。