1964年10月,中(zhong)國科學(xue)院長(chang)春光(guang)(guang)(guang)(guang)機(ji)所主辦(ban)的(de)《光(guang)(guang)(guang)(guang)受激(ji)發射(she)情報》(其(qi)前身為(wei)《光(guang)(guang)(guang)(guang)量子(zi)放大(da)專刊》)雜(za)志編輯部致(zhi)信錢學(xue)森(sen),請他為(wei)LASER取一個中(zhong)文(wen)名(ming)字,錢學(xue)森(sen)建(jian)議中(zhong)文(wen)名(ming)為(wei)“激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)”。同(tong)年12月,上海召(zhao)開第三屆光(guang)(guang)(guang)(guang)量子(zi)放大(da)器學(xue)術會議,由嚴濟慈(ci)主持,討(tao)論后正式采納錢學(xue)森(sen)的(de)建(jian)議,將“通過(guo)輻射(she)受激(ji)發射(she)的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)放大(da)”的(de)英文(wen)縮寫LASER正式翻(fan)譯(yi)為(wei)“激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)”。隨后,《光(guang)(guang)(guang)(guang)受激(ji)發射(she)情報》雜(za)志也改名(ming)為(wei)《激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)情報》
光與(yu)物(wu)質(zhi)的(de)相互作用,實質(zhi)上是組成(cheng)物(wu)質(zhi)的(de)微觀(guan)粒子(zi)吸收或輻射(she)光子(zi),同時改(gai)變自身運(yun)動狀況的(de)表現(xian)。
微觀粒子都具有特定的(de)一(yi)套能(neng)(neng)級(通常這些能(neng)(neng)級是(shi)分立的(de))。任一(yi)時刻(ke)粒子只能(neng)(neng)處在(zai)與某一(yi)能(neng)(neng)級相(xiang)對應的(de)狀態(或(huo)者簡單地(di)表述為處在(zai)某一(yi)個能(neng)(neng)級上)。與光子相(xiang)互(hu)作用時,粒子從一(yi)個能(neng)(neng)級躍(yue)遷到另一(yi)個能(neng)(neng)級,并相(xiang)應地(di)吸收或(huo)輻(fu)射光子。光子的(de)能(neng)(neng)量值為此(ci)兩(liang)能(neng)(neng)級的(de)能(neng)(neng)量差△E,頻率(lv)為ν=△E/h(h為普(pu)朗(lang)克常量)。
1.受激(ji)吸收(簡稱吸收)
處于較低能級的(de)粒子(zi)在受到(dao)外界的(de)激發(fa)(即(ji)與(yu)其他的(de)粒子(zi)發(fa)生(sheng)了有能量交(jiao)換(huan)的(de)相互(hu)作用,如與(yu)光子(zi)發(fa)生(sheng)非彈
性(xing)碰撞),吸(xi)收(shou)了能量(liang)時,躍(yue)遷到與(yu)此能量(liang)相(xiang)對應的較高(gao)能級。這種(zhong)躍(yue)遷稱為(wei)受激吸(xi)收(shou)。
2.自發輻射
粒(li)子受到激發(fa)(fa)(fa)而進入的(de)(de)(de)激發(fa)(fa)(fa)態,不是(shi)粒(li)子的(de)(de)(de)穩定狀態,如存在著(zhu)可以接納粒(li)子的(de)(de)(de)較(jiao)低能級,即使(shi)沒有外界作(zuo)用,粒(li)子也有一定的(de)(de)(de)概(gai)率,自(zi)發(fa)(fa)(fa)地從高(gao)能級激發(fa)(fa)(fa)態(E2)向低能級基態(E1)躍(yue)遷(qian),同時輻射(she)出(chu)(chu)能量為(E2-E1)的(de)(de)(de)光(guang)子,光(guang)子頻率 ν=(E2-E1)/h。這種輻射(she)過(guo)程稱(cheng)為自(zi)發(fa)(fa)(fa)輻射(she)。眾多原子以自(zi)發(fa)(fa)(fa)輻射(she)發(fa)(fa)(fa)出(chu)(chu)的(de)(de)(de)光(guang),不具有相(xiang)位、偏(pian)振態、傳(chuan)播方(fang)向上的(de)(de)(de)一致(zhi),是(shi)物理(li)上所說的(de)(de)(de)非相(xiang)干光(guang)。
3.受激(ji)輻射、激(ji)光
1917年愛因(yin)斯坦從理論(lun)上(shang)指(zhi)出(chu):除自發(fa)輻射外,處(chu)于高(gao)能(neng)級(ji)E2上(shang)的粒子(zi)還可以(yi)(yi)另一方式躍(yue)(yue)遷(qian)到較低能(neng)級(ji)。他指(zhi)出(chu)當頻率為(wei) ν=(E2-E1)/h的光(guang)子(zi)入射時(shi),也會引發(fa)粒子(zi)以(yi)(yi)一定的概(gai)率,迅速地從能(neng)級(ji)E2躍(yue)(yue)遷(qian)到能(neng)級(ji)E1,同時(shi)輻射一個(ge)與外來(lai)光(guang)子(zi)頻率、相(xiang)(xiang)位、偏振(zhen)態以(yi)(yi)及傳播方向都相(xiang)(xiang)同的光(guang)子(zi),這個(ge)過程稱為(wei)受激輻射。
可(ke)以設(she)想,如果(guo)大量原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)處在(zai)高能級E2上,當有一個(ge)(ge)頻(pin)率(lv) ν=(E2-E1)/h的(de)光(guang)子(zi)(zi)入射,從而激(ji)勵E2上的(de)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)產(chan)生受激(ji)輻射,得到兩個(ge)(ge)特征完全相(xiang)同的(de)光(guang)子(zi)(zi),這(zhe)兩個(ge)(ge)光(guang)子(zi)(zi)再激(ji)勵E2能級上原(yuan)(yuan)子(zi)(zi),又(you)使其(qi)產(chan)生受激(ji)輻射,可(ke)得到四(si)個(ge)(ge)特征相(xiang)同的(de)光(guang)子(zi)(zi),這(zhe)意味著(zhu)原(yuan)(yuan)來的(de)光(guang)信(xin)號(hao)被放大了。這(zhe)種在(zai)受激(ji)輻射過程中(zhong)產(chan)生并被放大的(de)光(guang)就是激(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(ji)分(fen)布(bu)(bu)律(lv)。按(an)統計(ji)分(fen)布(bu)(bu)規律(lv),處(chu)在較低能級(ji)E1的(de)(de)粒(li)(li)子數(shu)(shu)必大于處(chu)在較高能級(ji)E2的(de)(de)粒(li)(li)子數(shu)(shu)。這(zhe)樣光穿過工作(zuo)物質(zhi)時,光的(de)(de)能量只會減弱(ruo)不會加(jia)強。要想使受激輻射占優勢,必須使處(chu)在高能級(ji)E2的(de)(de)粒(li)(li)子數(shu)(shu)大于處(chu)在低能級(ji)E1的(de)(de)粒(li)(li)子數(shu)(shu)。這(zhe)種分(fen)布(bu)(bu)正好(hao)與平衡態時的(de)(de)粒(li)(li)子分(fen)布(bu)(bu)相反(fan),稱為粒(li)(li)子數(shu)(shu)反(fan)轉(zhuan)分(fen)布(bu)(bu),簡稱粒(li)(li)子數(shu)(shu)反(fan)轉(zhuan)。如何(he)從技(ji)術上(shang)實現粒(li)(li)子數(shu)(shu)反(fan)轉(zhuan)是(shi)產生激光的(de)(de)必要條件。
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(zhe)一理論(lun)是說(shuo)在(zai)組(zu)成物質的原(yuan)子中(zhong),有不同數量的粒子(電子)分布在(zai)不同的能(neng)級上,在(zai)高能(neng)級上的粒子受到某(mou)種(zhong)(zhong)光(guang)(guang)(guang)子的激發,會(hui)(hui)從高能(neng)級跳到(躍遷)到低能(neng)級上,這(zhe)時將會(hui)(hui)輻射出(chu)(chu)與(yu)激發它的光(guang)(guang)(guang)相同性質的光(guang)(guang)(guang),而(er)且在(zai)某(mou)種(zhong)(zhong)狀態下,能(neng)出(chu)(chu)現一個(ge)弱光(guang)(guang)(guang)激發出(chu)(chu)一個(ge)強(qiang)光(guang)(guang)(guang)的現象(xiang)。這(zhe)就叫做“受激輻射的光(guang)(guang)(guang)放大(da)”,簡稱激光(guang)(guang)(guang)。
1951年,美(mei)國物理學(xue)家查爾斯(si)·哈德(de)·湯斯(si)設(she)(she)想(xiang)如果用(yong)(yong)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子,而不(bu)用(yong)(yong)電(dian)子線路,就(jiu)可以(yi)得到(dao)波(bo)(bo)長(chang)足(zu)夠小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)無(wu)線電(dian)波(bo)(bo)。分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子具有各種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)振動形(xing)式,有些分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)振動正好和(he)微(wei)(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)波(bo)(bo)段(duan)范圍的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)輻(fu)射相(xiang)(xiang)同(tong)。問(wen)題是如何將這些振動轉變為(wei)輻(fu)射。就(jiu)氨(an)(an)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子來說,在適當(dang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)條件下(xia),它每(mei)秒振動24,000,000,000次(24GHz),因此有可能(neng)發(fa)(fa)射波(bo)(bo)長(chang)為(wei)1.25厘米的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)。 他設(she)(she)想(xiang)通(tong)過熱或電(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方法,把能(neng)量泵入氨(an)(an)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子中,使它們處(chu)于(yu)“激(ji)(ji)(ji)發(fa)(fa)“狀態。然后,再設(she)(she)想(xiang)使這些受激(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子處(chu)于(yu)具有和(he)氨(an)(an)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)固有頻率相(xiang)(xiang)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)束(shu)中---這個微(wei)(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)束(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量可以(yi)是很(hen)(hen)微(wei)(wei)(wei)(wei)弱(ruo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)。一(yi)個單(dan)獨(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氨(an)(an)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子就(jiu)會受到(dao)這一(yi)微(wei)(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)束(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong)(yong),以(yi)同(tong)樣波(bo)(bo)長(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)束(shu)波(bo)(bo)形(xing)式放(fang)出(chu)它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量,這一(yi)能(neng)量又繼而作用(yong)(yong)于(yu)另一(yi)個氨(an)(an)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子,使它也放(fang)出(chu)能(neng)量。這個很(hen)(hen)微(wei)(wei)(wei)(wei)弱(ruo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)入射微(wei)(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)束(shu)相(xiang)(xiang)當(dang)于(yu)起(qi)立(li)腳點對一(yi)場雪(xue)崩的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)促(cu)發(fa)(fa)作用(yong)(yong),最(zui)(zui)后就(jiu)會產生一(yi)個很(hen)(hen)強(qiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)束(shu)。最(zui)(zui)初(chu)用(yong)(yong)來激(ji)(ji)(ji)發(fa)(fa)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量就(jiu)全部轉變為(wei)一(yi)種(zhong)特殊的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)輻(fu)射。
1953年12月,湯斯和(he)他(ta)的(de)(de)(de)學生阿瑟·肖洛終于制成了(le)按上(shang)述原理工作的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)一個裝(zhuang)置,產生了(le)所需要的(de)(de)(de)微波束。這個過程被稱(cheng)為“受激輻射的(de)(de)(de)微波放大”。按其英文的(de)(de)(de)首(shou)字(zi)母縮寫(xie)為M.A.S.E.R,并(bing)由之造(zao)出(chu)了(le)單詞“maser”(脈澤)(這樣的(de)(de)(de)單詞稱(cheng)為首(shou)字(zi)母縮寫(xie)詞,在技(ji)術語(yu)中越(yue)來(lai)越(yue)普遍使用)。
1958年,美國科學(xue)(xue)家肖(xiao)洛(Schawlow)和湯斯(si)(Townes)發(fa)(fa)現了(le)一種神奇的(de)現象:當他們(men)將氖光(guang)燈(deng)泡所發(fa)(fa)射(she)的(de)光(guang)照在(zai)一種稀(xi)土(tu)晶體(ti)上時,晶體(ti)的(de)分(fen)子(zi)會(hui)發(fa)(fa)出鮮艷的(de)、始終會(hui)聚(ju)在(zai)一起的(de)強光(guang)。根(gen)據這一現象,他們(men)提出了(le)"激光(guang)原(yuan)理",即物(wu)質在(zai)受(shou)到與其分(fen)子(zi)固(gu)有振蕩頻率相同的(de)能量激發(fa)(fa)時,都會(hui)產(chan)生(sheng)這種不發(fa)(fa)散的(de)強光(guang)--激光(guang)。他們(men)為此發(fa)(fa)表了(le)重要論文(wen),并(bing)獲得1964年的(de)諾貝爾物(wu)理學(xue)(xue)獎。
1960年5月(yue)15日,美國(guo)加(jia)利福尼亞州(zhou)休斯實驗室的(de)科學家(jia)梅曼宣(xuan)布獲(huo)得了(le)波長為0.6943微(wei)米(mi)的(de)激光(guang),這(zhe)是人(ren)類有史以來獲(huo)得的(de)第(di)一束(shu)激光(guang),梅曼因而也成(cheng)為世界上(shang)第(di)一個將(jiang)激光(guang)引入實用領域(yu)的(de)科學家(jia)。
1960年7月7日,西奧多·梅曼宣布(bu)世(shi)界(jie)上(shang)第(di)一(yi)(yi)臺激光(guang)器誕生(sheng),梅曼的(de)方案(an)是,利用一(yi)(yi)個(ge)(ge)高強閃光(guang)燈管,來激發紅寶石(shi)(shi)。由于紅寶石(shi)(shi)其(qi)實(shi)在(zai)物(wu)理上(shang)只是一(yi)(yi)種(zhong)摻(chan)有鉻原子的(de)剛(gang)玉,所以當紅寶石(shi)(shi)受到刺激時,就會發出一(yi)(yi)種(zhong)紅光(guang)。在(zai)一(yi)(yi)塊表面(mian)鍍上(shang)反光(guang)鏡的(de)紅寶石(shi)(shi)的(de)表面(mian)鉆一(yi)(yi)個(ge)(ge)孔(kong),使(shi)紅光(guang)可(ke)以從(cong)這(zhe)個(ge)(ge)孔(kong)溢出,從(cong)而產(chan)生(sheng)一(yi)(yi)條相(xiang)當集中的(de)纖細紅色(se)光(guang)柱,當它射向某一(yi)(yi)點時,可(ke)使(shi)其(qi)達到比太陽表面(mian)還高的(de)溫度。
前蘇聯科學家尼(ni)古拉·巴(ba)索夫(fu)于1960年(nian)發明(ming)了半導體(ti)激(ji)光(guang)器。半導體(ti)激(ji)光(guang)器的(de)結構通常由p層、n層和形成(cheng)雙異質結的(de)有(you)源層構成(cheng)。其(qi)特點是:尺寸小、耦合效率高(gao)、響應速度快、波長(chang)和尺寸與(yu)光(guang)纖尺寸適配、可直接調制、相(xiang)干性好。
激光(guang)系統可分為連續波激光(guang)器(qi)和脈沖激光(guang)器(qi)。
大事年表
1917年:愛因斯坦提出(chu)“受激(ji)發射”理論,一(yi)個光子(zi)使得受激(ji)原子(zi)發出(chu)一(yi)個相(xiang)同的(de)光子(zi)。
1953年:美國(guo)物理學家(jia)Charles Townes用微波(bo)實現了激(ji)光器(qi)的前身(shen):微波(bo)受(shou)激(ji)發射(she)放大(英文首(shou)字母縮寫maser)。
1957年(nian):Townes的博(bo)士生Gordon Gould創造了“laser”這個(ge)單詞,從理論(lun)上指出可以用光激發原子,產生一束相(xiang)干光束,之(zhi)后人們為其申(shen)請(qing)了專(zhuan)利,相(xiang)關法律糾紛維持了近30年(nian)。
1960年(nian):美國(guo)加州(zhou)Hughes 實驗(yan)室的Theodore Maiman實現了第一束激(ji)光。
1961年:激光首次(ci)在外科手(shou)術中用于殺滅視網膜腫瘤(liu)。
1962年:發明半導體二極管激(ji)光(guang)器(qi),這是今(jin)天小型(xing)商用激(ji)光(guang)器(qi)的支(zhi)柱。
1969年(nian):激(ji)光(guang)用于(yu)遙感勘測,激(ji)光(guang)被射(she)向阿(a)波(bo)羅11號(hao)放(fang)在月球表面的(de)反射(she)器,測得的(de)地月距離誤差在幾(ji)米范圍內。
1971年(nian):激光進(jin)入藝術世界,用于舞臺光影效果,以(yi)及(ji)激光全(quan)息(xi)攝像。英國籍匈(xiong)牙(ya)利裔物理學家Dennis Gabor憑(ping)借對全(quan)息(xi)攝像的研究(jiu)獲得(de)諾(nuo)貝(bei)爾獎。
1974年:第一個超市(shi)條形碼掃描器出(chu)現(xian)。
1975年:IBM投(tou)放第一(yi)臺商用(yong)激(ji)光打印機。
1978年(nian):飛利(li)浦(pu)制(zhi)造出第一臺(tai)激光盤(pan)(LD)播放機,不過價格很高。
1982年:第一(yi)臺緊湊碟(die)片(CD)播放機出現,第一(yi)部CD盤是(shi)美國(guo)歌手Billy Joel在1978年的(de)專(zhuan)輯52nd Street。
1983年:里(li)根總(zong)統發表了(le)“星球大戰(zhan)”的演講,描繪了(le)基于太空的激光武器。
1988年(nian):北美和(he)歐洲間架設了(le)第一根光(guang)纖,用光(guang)脈(mo)沖來傳輸數據。
1990年:激光用于制(zhi)造業,包括集成電路(lu)和汽車(che)制(zhi)造。
1991年:第(di)一(yi)次用激(ji)(ji)光治療近視,海(hai)灣戰爭中第(di)一(yi)次用激(ji)(ji)光制導導彈。
1996年:東芝推出數字(zi)多用途光盤(DVD)播放器。
2008年:法國神經外科(ke)學家使用廣導(dao)纖維激光和(he)微創手術技術治療了(le)腦瘤。
2010年(nian):美國國家核安全管理局(NNSA)表示,通過使用(yong)192束(shu)激光來束(shu)縛核聚(ju)(ju)變的(de)反應原料、氫的(de)同位素氘(質量數(shu)2)和(he)氚(質量數(shu)3),解決了核聚(ju)(ju)變的(de)一個關(guan)鍵困難。
2011年3月,研(yan)究(jiu)人員(yuan)研(yan)制的一(yi)種(zhong)牽引波激光器能夠移(yi)動物體,未來(lai)有望(wang)能移(yi)動太空飛船。
2013年1月(yue),科學(xue)家已經成(cheng)功研制出可用于醫學(xue)檢測的牽引光束。
2014年(nian)6月5日(ri)美國(guo)航天局利用(yong)激光束把一段時長37秒、名為(wei)“你(ni)好(hao),世界!”的高(gao)清視頻,只用(yong)了3.5秒就(jiu)成(cheng)功(gong)傳回(hui),相當(dang)于傳輸速率達(da)到每秒50兆,而(er)傳統技術(shu)下載需要至(zhi)少10分鐘。