1964年10月(yue),中國科學(xue)院長春光(guang)(guang)機(ji)所主辦的(de)《光(guang)(guang)受激(ji)(ji)發(fa)(fa)射情(qing)報(bao)》(其前身為(wei)《光(guang)(guang)量子(zi)放(fang)(fang)大專刊(kan)》)雜志編輯部致(zhi)信錢(qian)學(xue)森,請他(ta)為(wei)LASER取一個(ge)中文(wen)(wen)名(ming)(ming)字(zi),錢(qian)學(xue)森建議中文(wen)(wen)名(ming)(ming)為(wei)“激(ji)(ji)光(guang)(guang)”。同(tong)年12月(yue),上海召開第三屆(jie)光(guang)(guang)量子(zi)放(fang)(fang)大器學(xue)術會議,由嚴(yan)濟(ji)慈(ci)主持,討論(lun)后正(zheng)式采納錢(qian)學(xue)森的(de)建議,將“通(tong)過輻射受激(ji)(ji)發(fa)(fa)射的(de)光(guang)(guang)放(fang)(fang)大”的(de)英文(wen)(wen)縮寫LASER正(zheng)式翻(fan)譯(yi)為(wei)“激(ji)(ji)光(guang)(guang)”。隨后,《光(guang)(guang)受激(ji)(ji)發(fa)(fa)射情(qing)報(bao)》雜志也改名(ming)(ming)為(wei)《激(ji)(ji)光(guang)(guang)情(qing)報(bao)》
光(guang)與物質的(de)相互作用,實(shi)質上(shang)是組成物質的(de)微觀(guan)粒子吸收或輻射光(guang)子,同(tong)時改變自身運動狀(zhuang)況(kuang)的(de)表現。
微觀粒(li)子(zi)都具有特定的(de)(de)一(yi)套(tao)能(neng)(neng)(neng)(neng)級(通常(chang)這些(xie)能(neng)(neng)(neng)(neng)級是分立的(de)(de))。任一(yi)時刻粒(li)子(zi)只能(neng)(neng)(neng)(neng)處(chu)在與某一(yi)能(neng)(neng)(neng)(neng)級相(xiang)對應(ying)的(de)(de)狀(zhuang)態(tai)(或者簡單地表述(shu)為處(chu)在某一(yi)個能(neng)(neng)(neng)(neng)級上)。與光子(zi)相(xiang)互作用(yong)時,粒(li)子(zi)從(cong)一(yi)個能(neng)(neng)(neng)(neng)級躍遷到(dao)另一(yi)個能(neng)(neng)(neng)(neng)級,并相(xiang)應(ying)地吸收或輻射(she)光子(zi)。光子(zi)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量值(zhi)為此兩能(neng)(neng)(neng)(neng)級的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)量差(cha)△E,頻率(lv)為ν=△E/h(h為普(pu)朗克(ke)常(chang)量)。
1.受(shou)激吸(xi)收(shou)(簡稱(cheng)吸(xi)收(shou))
處于較低能級的(de)粒(li)子在受到外界的(de)激(ji)發(fa)(即與其他的(de)粒(li)子發(fa)生(sheng)了有(you)能量交換的(de)相互作用,如與光子發(fa)生(sheng)非(fei)彈
性碰撞),吸(xi)收了(le)能(neng)量時,躍遷到與(yu)此能(neng)量相對應的較高能(neng)級。這(zhe)種躍遷稱為受激吸(xi)收。
2.自發輻射
粒子(zi)(zi)受(shou)到激(ji)發(fa)而進入的激(ji)發(fa)態,不(bu)是粒子(zi)(zi)的穩(wen)定狀(zhuang)態,如存在著可以(yi)接納粒子(zi)(zi)的較低能級,即使沒(mei)有外(wai)界作(zuo)用,粒子(zi)(zi)也有一(yi)定的概率(lv),自發(fa)地從(cong)高能級激(ji)發(fa)態(E2)向低能級基態(E1)躍遷,同(tong)時輻(fu)射(she)出(chu)能量為(E2-E1)的光(guang)(guang)子(zi)(zi),光(guang)(guang)子(zi)(zi)頻率(lv) ν=(E2-E1)/h。這種(zhong)輻(fu)射(she)過程稱為自發(fa)輻(fu)射(she)。眾多原子(zi)(zi)以(yi)自發(fa)輻(fu)射(she)發(fa)出(chu)的光(guang)(guang),不(bu)具有相(xiang)位、偏振態、傳播(bo)方向上的一(yi)致,是物(wu)理上所(suo)說的非相(xiang)干光(guang)(guang)。
3.受(shou)激輻射(she)、激光
1917年愛因斯坦從理(li)論上(shang)(shang)指(zhi)出(chu):除自發輻(fu)射(she)外(wai),處于高(gao)能(neng)級E2上(shang)(shang)的(de)粒子還可(ke)以(yi)另一方式(shi)躍(yue)遷(qian)到較低能(neng)級。他指(zhi)出(chu)當(dang)頻率為 ν=(E2-E1)/h的(de)光(guang)子入(ru)射(she)時,也會引發粒子以(yi)一定的(de)概率,迅(xun)速地從能(neng)級E2躍(yue)遷(qian)到能(neng)級E1,同時輻(fu)射(she)一個與(yu)外(wai)來光(guang)子頻率、相(xiang)位、偏振態以(yi)及傳播方向都相(xiang)同的(de)光(guang)子,這(zhe)個過程(cheng)稱(cheng)為受激(ji)輻(fu)射(she)。
可以設想,如果大量原子處(chu)在高能級E2上(shang),當有一個(ge)頻率(lv) ν=(E2-E1)/h的光(guang)(guang)子入(ru)射,從而(er)激(ji)勵E2上(shang)的原子產生受激(ji)輻射,得到兩個(ge)特征完全(quan)相(xiang)同的光(guang)(guang)子,這(zhe)(zhe)兩個(ge)光(guang)(guang)子再激(ji)勵E2能級上(shang)原子,又使其(qi)產生受激(ji)輻射,可得到四(si)個(ge)特征相(xiang)同的光(guang)(guang)子,這(zhe)(zhe)意味(wei)著原來(lai)的光(guang)(guang)信號被(bei)放大了(le)。這(zhe)(zhe)種(zhong)在受激(ji)輻射過程中產生并(bing)被(bei)放大的光(guang)(guang)就是激(ji)光(guang)(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)律。按(an)統計(ji)分(fen)布(bu)規律,處(chu)(chu)在較低能(neng)級E1的(de)粒(li)(li)子(zi)數(shu)必大于處(chu)(chu)在較高能(neng)級E2的(de)粒(li)(li)子(zi)數(shu)。這(zhe)樣(yang)光(guang)穿過工(gong)作(zuo)物質(zhi)時,光(guang)的(de)能(neng)量只(zhi)會(hui)減弱不會(hui)加強。要想使受(shou)激輻射占優勢,必須使處(chu)(chu)在高能(neng)級E2的(de)粒(li)(li)子(zi)數(shu)大于處(chu)(chu)在低能(neng)級E1的(de)粒(li)(li)子(zi)數(shu)。這(zhe)種分(fen)布(bu)正好與平衡態時的(de)粒(li)(li)子(zi)分(fen)布(bu)相(xiang)反(fan)(fan),稱(cheng)為粒(li)(li)子(zi)數(shu)反(fan)(fan)轉分(fen)布(bu),簡(jian)稱(cheng)粒(li)(li)子(zi)數(shu)反(fan)(fan)轉。如何從技術(shu)上實現粒(li)(li)子(zi)數(shu)反(fan)(fan)轉是產生激光(guang)的(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’。這一理論是說在(zai)組成物質的原子(zi)(zi)中,有(you)不同(tong)數(shu)量(liang)的粒子(zi)(zi)(電子(zi)(zi))分布在(zai)不同(tong)的能級(ji)上(shang)(shang),在(zai)高能級(ji)上(shang)(shang)的粒子(zi)(zi)受到(dao)某(mou)種(zhong)光子(zi)(zi)的激(ji)發(fa),會從(cong)高能級(ji)跳到(dao)(躍遷(qian))到(dao)低(di)能級(ji)上(shang)(shang),這時將會輻射出與(yu)激(ji)發(fa)它(ta)的光相同(tong)性(xing)質的光,而且在(zai)某(mou)種(zhong)狀態下,能出現(xian)一個弱光激(ji)發(fa)出一個強光的現(xian)象(xiang)。這就叫做“受激(ji)輻射的光放大”,簡稱激(ji)光。
1951年(nian),美(mei)國物理學家查(cha)爾斯(si)·哈德·湯斯(si)設想如(ru)果用(yong)分(fen)子(zi)(zi)(zi),而不用(yong)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)線(xian)路,就(jiu)可(ke)以(yi)得到(dao)波(bo)(bo)(bo)(bo)長(chang)足夠小的(de)(de)(de)(de)(de)無線(xian)電(dian)(dian)波(bo)(bo)(bo)(bo)。分(fen)子(zi)(zi)(zi)具有(you)各(ge)種(zhong)不同的(de)(de)(de)(de)(de)振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)形(xing)式(shi),有(you)些(xie)分(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)正好和微(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)(bo)波(bo)(bo)(bo)(bo)段范圍(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)輻射(she)相同。問(wen)題是如(ru)何將這(zhe)(zhe)些(xie)振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)轉(zhuan)變為輻射(she)。就(jiu)氨(an)分(fen)子(zi)(zi)(zi)來(lai)說,在適當的(de)(de)(de)(de)(de)條件下,它(ta)每秒(miao)振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)24,000,000,000次(24GHz),因此有(you)可(ke)能發射(she)波(bo)(bo)(bo)(bo)長(chang)為1.25厘米的(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)(bo)。 他設想通過熱或電(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)方法,把(ba)能量(liang)(liang)泵入(ru)(ru)氨(an)分(fen)子(zi)(zi)(zi)中,使(shi)它(ta)們處于(yu)“激(ji)發“狀態。然后,再設想使(shi)這(zhe)(zhe)些(xie)受激(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)子(zi)(zi)(zi)處于(yu)具有(you)和氨(an)分(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)固有(you)頻(pin)率相同的(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)(bo)束(shu)(shu)中---這(zhe)(zhe)個(ge)微(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)(bo)束(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)能量(liang)(liang)可(ke)以(yi)是很微(wei)(wei)(wei)弱的(de)(de)(de)(de)(de)。一(yi)個(ge)單獨的(de)(de)(de)(de)(de)氨(an)分(fen)子(zi)(zi)(zi)就(jiu)會受到(dao)這(zhe)(zhe)一(yi)微(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)(bo)束(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)作用(yong),以(yi)同樣波(bo)(bo)(bo)(bo)長(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)束(shu)(shu)波(bo)(bo)(bo)(bo)形(xing)式(shi)放出(chu)它(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)能量(liang)(liang),這(zhe)(zhe)一(yi)能量(liang)(liang)又繼而作用(yong)于(yu)另一(yi)個(ge)氨(an)分(fen)子(zi)(zi)(zi),使(shi)它(ta)也放出(chu)能量(liang)(liang)。這(zhe)(zhe)個(ge)很微(wei)(wei)(wei)弱的(de)(de)(de)(de)(de)入(ru)(ru)射(she)微(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)(bo)束(shu)(shu)相當于(yu)起立腳點(dian)對(dui)一(yi)場(chang)雪崩的(de)(de)(de)(de)(de)促(cu)發作用(yong),最(zui)后就(jiu)會產生(sheng)一(yi)個(ge)很強的(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)(bo)束(shu)(shu)。最(zui)初用(yong)來(lai)激(ji)發分(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)能量(liang)(liang)就(jiu)全部轉(zhuan)變為一(yi)種(zhong)特殊(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)輻射(she)。
1953年12月,湯斯和(he)他的(de)(de)學生(sheng)阿瑟·肖洛終(zhong)于制(zhi)成了按上述(shu)原理工作的(de)(de)的(de)(de)一個裝置,產生(sheng)了所(suo)需(xu)要的(de)(de)微波束。這個過程被稱為“受激(ji)輻射的(de)(de)微波放(fang)大”。按其英文的(de)(de)首字母(mu)(mu)縮寫為M.A.S.E.R,并(bing)由之造出了單詞“maser”(脈澤)(這樣的(de)(de)單詞稱為首字母(mu)(mu)縮寫詞,在技(ji)術語中(zhong)越來越普遍使用)。
1958年,美國(guo)科學家(jia)肖洛(Schawlow)和湯(tang)斯(Townes)發現了一種(zhong)神奇(qi)的(de)(de)現象(xiang):當他們將氖(nai)光燈泡所(suo)發射的(de)(de)光照(zhao)在一種(zhong)稀土(tu)晶體(ti)上時,晶體(ti)的(de)(de)分子(zi)會(hui)(hui)發出鮮(xian)艷的(de)(de)、始終會(hui)(hui)聚在一起的(de)(de)強(qiang)光。根據這一現象(xiang),他們提出了"激(ji)光原理",即物質在受到與其分子(zi)固有(you)振蕩頻率相同的(de)(de)能量激(ji)發時,都會(hui)(hui)產生這種(zhong)不(bu)發散的(de)(de)強(qiang)光--激(ji)光。他們為此(ci)發表了重要論文,并獲(huo)得1964年的(de)(de)諾貝爾物理學獎。
1960年5月15日,美國加利福尼亞州休斯實(shi)驗室的科學家(jia)梅曼宣(xuan)布(bu)獲得(de)了(le)波長為0.6943微米(mi)的激光(guang),這是(shi)人類有史以來獲得(de)的第一束激光(guang),梅曼因而也成為世(shi)界(jie)上第一個將激光(guang)引入實(shi)用領(ling)域的科學家(jia)。
1960年7月7日(ri),西奧多·梅曼宣布世(shi)界(jie)上第(di)一臺激光(guang)器誕生(sheng),梅曼的(de)方(fang)案是,利用一個(ge)高強(qiang)閃光(guang)燈管(guan),來激發(fa)(fa)紅(hong)寶石(shi)(shi)。由于紅(hong)寶石(shi)(shi)其(qi)實在(zai)物理上只(zhi)是一種摻有(you)鉻原子(zi)的(de)剛玉,所以當(dang)紅(hong)寶石(shi)(shi)受(shou)到(dao)刺激時(shi),就會發(fa)(fa)出一種紅(hong)光(guang)。在(zai)一塊表面鍍上反光(guang)鏡的(de)紅(hong)寶石(shi)(shi)的(de)表面鉆一個(ge)孔,使紅(hong)光(guang)可以從這個(ge)孔溢出,從而產生(sheng)一條(tiao)相當(dang)集中的(de)纖(xian)細紅(hong)色光(guang)柱,當(dang)它射(she)向某一點時(shi),可使其(qi)達到(dao)比(bi)太(tai)陽表面還高的(de)溫(wen)度(du)。
前(qian)蘇聯科學(xue)家(jia)尼(ni)古拉·巴索夫于1960年發明了半導體(ti)激光(guang)器(qi)。半導體(ti)激光(guang)器(qi)的結構(gou)通(tong)常由(you)p層、n層和形成雙異質(zhi)結的有源層構(gou)成。其特點是(shi):尺寸(cun)小、耦(ou)合效率高(gao)、響應速度快(kuai)、波長和尺寸(cun)與光(guang)纖尺寸(cun)適配、可直接調制、相干性(xing)好(hao)。
激(ji)光(guang)系統可分為連(lian)續(xu)波激(ji)光(guang)器和脈沖激(ji)光(guang)器。
大事年表
1917年:愛因(yin)斯坦提出“受(shou)激(ji)(ji)發射(she)”理論,一個(ge)光子使得受(shou)激(ji)(ji)原子發出一個(ge)相同的(de)光子。
1953年:美(mei)國物理學家(jia)Charles Townes用(yong)微波實現了激光(guang)器的前(qian)身:微波受激發射放大(英(ying)文首(shou)字母縮寫maser)。
1957年(nian):Townes的博士生(sheng)Gordon Gould創造了(le)(le)“laser”這個單(dan)詞,從理論上指出可以用光(guang)激發原子,產生(sheng)一束(shu)相干光(guang)束(shu),之后人們(men)為其申請了(le)(le)專利,相關法律糾紛維持了(le)(le)近30年(nian)。
1960年:美(mei)國加州Hughes 實驗室的Theodore Maiman實現了第(di)一束(shu)激光。
1961年(nian):激(ji)光首次在外科(ke)手(shou)術中用于殺滅(mie)視網膜腫瘤。
1962年:發明(ming)半導體二極(ji)管激光(guang)器,這是今(jin)天小型商用激光(guang)器的(de)支柱。
1969年:激光用于(yu)遙感(gan)勘測,激光被射向阿波羅11號放在月球(qiu)表(biao)面(mian)的反射器,測得(de)的地(di)月距(ju)離誤(wu)差在幾米范(fan)圍(wei)內。
1971年:激(ji)光(guang)進入藝術世界(jie),用于(yu)舞(wu)臺光(guang)影效果,以(yi)及激(ji)光(guang)全(quan)息攝像。英國籍(ji)匈(xiong)牙利裔(yi)物理學家Dennis Gabor憑借對全(quan)息攝像的研究(jiu)獲(huo)得諾貝爾獎。
1974年:第一個超(chao)市條(tiao)形碼掃描器出現。
1975年:IBM投放第一臺商用激光打印機(ji)。
1978年:飛利浦制(zhi)造出第一臺激光盤(pan)(LD)播放機(ji),不過(guo)價格很高。
1982年(nian):第(di)一(yi)(yi)臺(tai)緊(jin)湊碟片(CD)播(bo)放機出現,第(di)一(yi)(yi)部CD盤(pan)是美國歌手Billy Joel在1978年(nian)的專輯52nd Street。
1983年:里根總(zong)統發表(biao)了“星球大(da)戰”的演講,描繪了基于(yu)太空(kong)的激(ji)光武器(qi)。
1988年:北美和歐(ou)洲間架(jia)設(she)了第一(yi)根光纖,用光脈(mo)沖來(lai)傳輸(shu)數據。
1990年:激光用于制造業,包括集成電路(lu)和汽車制造。
1991年:第一(yi)次用激光(guang)治療近視,海灣戰(zhan)爭(zheng)中第一(yi)次用激光(guang)制(zhi)導導彈。
1996年:東芝推(tui)出數字多(duo)用途光盤(DVD)播(bo)放(fang)器。
2008年:法國神經外科學家使用廣(guang)導纖維激光和微創手術技術治療(liao)了腦瘤。
2010年:美國國家核(he)安全(quan)管理局(NNSA)表(biao)示,通過使用192束(shu)(shu)激光來束(shu)(shu)縛核(he)聚變(bian)的(de)反應(ying)原料、氫(qing)的(de)同位(wei)素氘(質量數2)和(he)氚(質量數3),解決了核(he)聚變(bian)的(de)一個關鍵困(kun)難。
2011年(nian)3月,研究人員研制的(de)一種牽引波激光(guang)器能(neng)夠移動(dong)物體,未(wei)來有望能(neng)移動(dong)太空飛船。
2013年1月(yue),科學(xue)家已(yi)經成功研制出(chu)可用于醫學(xue)檢(jian)測的牽引光束。
2014年6月5日美國航(hang)天局利(li)用(yong)激(ji)光束把一段時長(chang)37秒、名為“你好(hao),世(shi)界!”的高清視頻,只用(yong)了3.5秒就成功傳(chuan)回,相當(dang)于傳(chuan)輸速率達到每秒50兆(zhao),而(er)傳(chuan)統技(ji)術(shu)下載需要至(zhi)少10分鐘。