1964年(nian)10月(yue),中國科學(xue)院長春(chun)光機所主辦的《光受激(ji)(ji)(ji)發(fa)射(she)情(qing)報》(其前身為《光量子放大(da)專(zhuan)刊》)雜(za)志編輯部致(zhi)信錢學(xue)森,請他為LASER取(qu)一個中文(wen)名字,錢學(xue)森建(jian)(jian)議(yi)中文(wen)名為“激(ji)(ji)(ji)光”。同(tong)年(nian)12月(yue),上(shang)海召開第三屆光量子放大(da)器學(xue)術會議(yi),由嚴濟慈主持,討(tao)論后(hou)正式(shi)采納錢學(xue)森的建(jian)(jian)議(yi),將“通過輻射(she)受激(ji)(ji)(ji)發(fa)射(she)的光放大(da)”的英(ying)文(wen)縮寫LASER正式(shi)翻(fan)譯為“激(ji)(ji)(ji)光”。隨后(hou),《光受激(ji)(ji)(ji)發(fa)射(she)情(qing)報》雜(za)志也改名為《激(ji)(ji)(ji)光情(qing)報》
光與(yu)物(wu)質的(de)(de)相互作用(yong),實質上是組成物(wu)質的(de)(de)微觀粒子吸收或(huo)輻射光子,同時(shi)改變自(zi)身運動狀況的(de)(de)表現(xian)。
微觀粒(li)子都具有特定的(de)(de)一套能級(ji)(ji)(通常這些能級(ji)(ji)是分(fen)立的(de)(de))。任一時刻粒(li)子只能處在與某(mou)一能級(ji)(ji)相(xiang)對應的(de)(de)狀態(tai)(或者簡單地表述為處在某(mou)一個能級(ji)(ji)上)。與光(guang)(guang)子相(xiang)互(hu)作用時,粒(li)子從一個能級(ji)(ji)躍遷到另(ling)一個能級(ji)(ji),并(bing)相(xiang)應地吸收(shou)或輻(fu)射光(guang)(guang)子。光(guang)(guang)子的(de)(de)能量(liang)(liang)值(zhi)為此兩能級(ji)(ji)的(de)(de)能量(liang)(liang)差△E,頻率為ν=△E/h(h為普(pu)朗克常量(liang)(liang))。
1.受激吸收(shou)(shou)(簡稱吸收(shou)(shou))
處于(yu)較(jiao)低能級的(de)粒子在受到(dao)外界的(de)激發(即與(yu)其他的(de)粒子發生了有能量交換的(de)相互作用,如(ru)與(yu)光(guang)子發生非彈
性(xing)碰(peng)撞),吸(xi)收了(le)能量時,躍(yue)遷到與此(ci)能量相對(dui)應的較高能級。這種(zhong)躍(yue)遷稱為受(shou)激(ji)吸(xi)收。
2.自發輻射
粒(li)子(zi)受到激發(fa)而進入的激發(fa)態,不是(shi)粒(li)子(zi)的穩(wen)定狀態,如存在著可以接納粒(li)子(zi)的較低(di)能(neng)級(ji),即(ji)使沒有外界(jie)作用,粒(li)子(zi)也有一(yi)定的概(gai)率(lv),自發(fa)地從(cong)高(gao)能(neng)級(ji)激發(fa)態(E2)向低(di)能(neng)級(ji)基態(E1)躍(yue)遷(qian),同時輻射(she)(she)出能(neng)量為(wei)(E2-E1)的光(guang)子(zi),光(guang)子(zi)頻率(lv) ν=(E2-E1)/h。這種輻射(she)(she)過程稱為(wei)自發(fa)輻射(she)(she)。眾多原(yuan)子(zi)以自發(fa)輻射(she)(she)發(fa)出的光(guang),不具(ju)有相(xiang)位、偏振態、傳播方向上的一(yi)致,是(shi)物(wu)理(li)上所(suo)說的非相(xiang)干(gan)光(guang)。
3.受激輻射、激光
1917年愛因斯坦(tan)從(cong)理(li)論(lun)上(shang)指(zhi)出:除自發(fa)輻(fu)(fu)射(she)外,處于高能(neng)級(ji)E2上(shang)的(de)(de)粒子(zi)還可以(yi)另一(yi)方式躍遷到(dao)較低能(neng)級(ji)。他(ta)指(zhi)出當頻率為 ν=(E2-E1)/h的(de)(de)光子(zi)入射(she)時(shi),也會(hui)引發(fa)粒子(zi)以(yi)一(yi)定(ding)的(de)(de)概率,迅(xun)速(su)地從(cong)能(neng)級(ji)E2躍遷到(dao)能(neng)級(ji)E1,同時(shi)輻(fu)(fu)射(she)一(yi)個與外來(lai)光子(zi)頻率、相位、偏振(zhen)態以(yi)及傳播方向都相同的(de)(de)光子(zi),這個過程(cheng)稱為受激(ji)輻(fu)(fu)射(she)。
可以設想,如果(guo)大量原(yuan)子(zi)(zi)處在高能級(ji)E2上,當有一個(ge)頻率 ν=(E2-E1)/h的(de)(de)光子(zi)(zi)入射(she),從而激(ji)(ji)(ji)勵E2上的(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)產(chan)生(sheng)(sheng)受激(ji)(ji)(ji)輻(fu)射(she),得到兩個(ge)特征完全相(xiang)同(tong)的(de)(de)光子(zi)(zi),這(zhe)(zhe)兩個(ge)光子(zi)(zi)再激(ji)(ji)(ji)勵E2能級(ji)上原(yuan)子(zi)(zi),又使其產(chan)生(sheng)(sheng)受激(ji)(ji)(ji)輻(fu)射(she),可得到四個(ge)特征相(xiang)同(tong)的(de)(de)光子(zi)(zi),這(zhe)(zhe)意味著原(yuan)來的(de)(de)光信號被放大了。這(zhe)(zhe)種在受激(ji)(ji)(ji)輻(fu)射(she)過程中產(chan)生(sheng)(sheng)并(bing)被放大的(de)(de)光就是激(ji)(ji)(ji)光。
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(bu)律。按(an)統計分(fen)(fen)布(bu)規律,處(chu)在(zai)(zai)較低(di)能(neng)(neng)(neng)級(ji)E1的粒(li)子(zi)(zi)數(shu)必大于(yu)處(chu)在(zai)(zai)較高(gao)能(neng)(neng)(neng)級(ji)E2的粒(li)子(zi)(zi)數(shu)。這樣光(guang)穿過工作物質時(shi),光(guang)的能(neng)(neng)(neng)量(liang)只會減弱不會加強。要想使受激輻射(she)占優勢,必須(xu)使處(chu)在(zai)(zai)高(gao)能(neng)(neng)(neng)級(ji)E2的粒(li)子(zi)(zi)數(shu)大于(yu)處(chu)在(zai)(zai)低(di)能(neng)(neng)(neng)級(ji)E1的粒(li)子(zi)(zi)數(shu)。這種(zhong)分(fen)(fen)布(bu)正好與平衡態時(shi)的粒(li)子(zi)(zi)分(fen)(fen)布(bu)相(xiang)反(fan),稱為粒(li)子(zi)(zi)數(shu)反(fan)轉分(fen)(fen)布(bu),簡(jian)稱粒(li)子(zi)(zi)數(shu)反(fan)轉。如何從技術上(shang)實(shi)現(xian)粒(li)子(zi)(zi)數(shu)反(fan)轉是產(chan)生激光(guang)的必要條(tiao)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(yi)(yi)理論是說在組成物質(zhi)(zhi)的(de)(de)原子(zi)中,有不同數量的(de)(de)粒子(zi)(電子(zi))分布在不同的(de)(de)能(neng)級(ji)上,在高能(neng)級(ji)上的(de)(de)粒子(zi)受到(dao)某(mou)種(zhong)光(guang)子(zi)的(de)(de)激發,會從高能(neng)級(ji)跳到(dao)(躍遷)到(dao)低能(neng)級(ji)上,這時將(jiang)會輻(fu)射(she)出(chu)與激發它的(de)(de)光(guang)相(xiang)同性質(zhi)(zhi)的(de)(de)光(guang),而且在某(mou)種(zhong)狀態下(xia),能(neng)出(chu)現一(yi)(yi)個(ge)弱光(guang)激發出(chu)一(yi)(yi)個(ge)強光(guang)的(de)(de)現象。這就(jiu)叫做“受激輻(fu)射(she)的(de)(de)光(guang)放大”,簡稱(cheng)激光(guang)。
1951年,美(mei)國物理(li)學家查爾斯(si)·哈(ha)德·湯斯(si)設想(xiang)如(ru)果用分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi),而不用電子(zi)(zi)(zi)線路,就(jiu)(jiu)可以(yi)得到波(bo)(bo)(bo)長足夠小的(de)(de)(de)(de)無線電波(bo)(bo)(bo)。分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)具有(you)(you)各種(zhong)不同的(de)(de)(de)(de)振(zhen)動形式,有(you)(you)些分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)振(zhen)動正好(hao)和(he)微波(bo)(bo)(bo)波(bo)(bo)(bo)段范圍(wei)的(de)(de)(de)(de)輻(fu)射(she)相(xiang)(xiang)同。問題是(shi)如(ru)何將這些振(zhen)動轉變(bian)為(wei)(wei)輻(fu)射(she)。就(jiu)(jiu)氨(an)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)來(lai)說,在適當的(de)(de)(de)(de)條(tiao)件下,它(ta)每秒振(zhen)動24,000,000,000次(24GHz),因此(ci)有(you)(you)可能(neng)發(fa)射(she)波(bo)(bo)(bo)長為(wei)(wei)1.25厘米的(de)(de)(de)(de)微波(bo)(bo)(bo)。 他(ta)設想(xiang)通過熱(re)或電的(de)(de)(de)(de)方(fang)法,把能(neng)量泵入(ru)氨(an)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)中(zhong),使它(ta)們處于“激發(fa)“狀態。然后(hou),再設想(xiang)使這些受激的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)處于具有(you)(you)和(he)氨(an)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)固(gu)有(you)(you)頻(pin)率相(xiang)(xiang)同的(de)(de)(de)(de)微波(bo)(bo)(bo)束(shu)(shu)(shu)中(zhong)---這個(ge)微波(bo)(bo)(bo)束(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量可以(yi)是(shi)很微弱(ruo)的(de)(de)(de)(de)。一個(ge)單(dan)獨的(de)(de)(de)(de)氨(an)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)就(jiu)(jiu)會(hui)受到這一微波(bo)(bo)(bo)束(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)作用,以(yi)同樣(yang)波(bo)(bo)(bo)長的(de)(de)(de)(de)束(shu)(shu)(shu)波(bo)(bo)(bo)形式放(fang)(fang)出(chu)它(ta)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量,這一能(neng)量又繼而作用于另一個(ge)氨(an)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi),使它(ta)也(ye)放(fang)(fang)出(chu)能(neng)量。這個(ge)很微弱(ruo)的(de)(de)(de)(de)入(ru)射(she)微波(bo)(bo)(bo)束(shu)(shu)(shu)相(xiang)(xiang)當于起立腳(jiao)點對一場雪崩的(de)(de)(de)(de)促發(fa)作用,最后(hou)就(jiu)(jiu)會(hui)產生一個(ge)很強的(de)(de)(de)(de)微波(bo)(bo)(bo)束(shu)(shu)(shu)。最初(chu)用來(lai)激發(fa)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量就(jiu)(jiu)全部(bu)轉變(bian)為(wei)(wei)一種(zhong)特(te)殊的(de)(de)(de)(de)輻(fu)射(she)。
1953年(nian)12月,湯斯(si)和他(ta)的(de)(de)學生(sheng)阿瑟(se)·肖(xiao)洛終于制成了按上述原理(li)工作的(de)(de)的(de)(de)一個裝置,產生(sheng)了所需要的(de)(de)微波(bo)束。這(zhe)個過(guo)程(cheng)被稱為“受激(ji)輻射的(de)(de)微波(bo)放大(da)”。按其英文的(de)(de)首(shou)字(zi)母縮寫(xie)為M.A.S.E.R,并由之造出(chu)了單詞“maser”(脈澤)(這(zhe)樣(yang)的(de)(de)單詞稱為首(shou)字(zi)母縮寫(xie)詞,在(zai)技術語(yu)中越(yue)(yue)來越(yue)(yue)普遍使(shi)用)。
1958年,美國科學家(jia)肖洛(Schawlow)和湯(tang)斯(Townes)發(fa)現(xian)(xian)了(le)(le)一(yi)種神奇的(de)現(xian)(xian)象(xiang):當他(ta)們將氖光燈泡所發(fa)射的(de)光照在(zai)一(yi)種稀土晶體上時(shi),晶體的(de)分子(zi)會(hui)發(fa)出(chu)鮮(xian)艷(yan)的(de)、始終會(hui)聚在(zai)一(yi)起的(de)強光。根據(ju)這一(yi)現(xian)(xian)象(xiang),他(ta)們提出(chu)了(le)(le)"激光原(yuan)理",即物質(zhi)在(zai)受到與其分子(zi)固有(you)振(zhen)蕩頻率(lv)相同的(de)能量激發(fa)時(shi),都會(hui)產(chan)生(sheng)這種不發(fa)散的(de)強光--激光。他(ta)們為此發(fa)表了(le)(le)重要(yao)論(lun)文,并(bing)獲得1964年的(de)諾貝(bei)爾物理學獎。
1960年(nian)5月15日,美(mei)國加利(li)福尼(ni)亞州休斯實驗室的科(ke)學家(jia)梅曼宣布獲得(de)了波(bo)長為0.6943微米的激光,這是人類(lei)有(you)史以來(lai)獲得(de)的第(di)(di)一束(shu)激光,梅曼因(yin)而也成為世界上(shang)第(di)(di)一個將(jiang)激光引(yin)入實用領域的科(ke)學家(jia)。
1960年7月7日(ri),西奧多(duo)·梅曼(man)宣布世界上(shang)第(di)一(yi)(yi)臺(tai)激(ji)光(guang)(guang)(guang)器誕生,梅曼(man)的(de)(de)方(fang)案是,利用一(yi)(yi)個高(gao)強閃光(guang)(guang)(guang)燈(deng)管,來激(ji)發(fa)紅(hong)寶(bao)石(shi)。由于(yu)紅(hong)寶(bao)石(shi)其(qi)實在(zai)物理上(shang)只是一(yi)(yi)種(zhong)摻有鉻原子的(de)(de)剛玉,所(suo)以當紅(hong)寶(bao)石(shi)受到(dao)刺激(ji)時(shi)(shi),就會(hui)發(fa)出一(yi)(yi)種(zhong)紅(hong)光(guang)(guang)(guang)。在(zai)一(yi)(yi)塊表面(mian)(mian)鍍上(shang)反光(guang)(guang)(guang)鏡的(de)(de)紅(hong)寶(bao)石(shi)的(de)(de)表面(mian)(mian)鉆一(yi)(yi)個孔,使(shi)紅(hong)光(guang)(guang)(guang)可(ke)以從這(zhe)個孔溢(yi)出,從而(er)產生一(yi)(yi)條相當集中的(de)(de)纖(xian)細紅(hong)色光(guang)(guang)(guang)柱,當它射向某一(yi)(yi)點(dian)時(shi)(shi),可(ke)使(shi)其(qi)達到(dao)比太陽表面(mian)(mian)還(huan)高(gao)的(de)(de)溫度。
前蘇聯(lian)科學家尼古拉(la)·巴索夫于1960年發明了半導體(ti)激光器。半導體(ti)激光器的結構通常(chang)由p層(ceng)、n層(ceng)和形成雙異質(zhi)結的有源層(ceng)構成。其(qi)特點是(shi):尺(chi)寸小、耦合效(xiao)率高、響(xiang)應速度快、波長和尺(chi)寸與光纖(xian)尺(chi)寸適(shi)配、可(ke)直接(jie)調(diao)制、相干性好。
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:愛因斯坦提(ti)出“受激發射”理論,一個光(guang)子(zi)使得受激原子(zi)發出一個相(xiang)同的光(guang)子(zi)。
1953年(nian):美國(guo)物理(li)學(xue)家(jia)Charles Townes用微波實現了激(ji)光器的前身:微波受激(ji)發(fa)射(she)放大(英文首字母縮(suo)寫maser)。
1957年:Townes的(de)博士生Gordon Gould創造了“laser”這個單詞(ci),從理論上指出可以(yi)用(yong)光激發原子,產生一束(shu)相(xiang)(xiang)干光束(shu),之后人(ren)們為其申請了專利,相(xiang)(xiang)關法律糾紛維持了近(jin)30年。
1960年:美國(guo)加州(zhou)Hughes 實驗室的Theodore Maiman實現了第一束激光。
1961年:激(ji)光首次(ci)在外科手術中用于殺(sha)滅視網膜腫瘤。
1962年:發明半導體二極管激光器,這是(shi)今天小型商用(yong)激光器的支柱。
1969年:激光用于遙感(gan)勘測,激光被射(she)(she)向阿(a)波羅11號(hao)放(fang)在月球表(biao)面的(de)反射(she)(she)器,測得的(de)地月距離誤差在幾(ji)米范圍內。
1971年:激光(guang)進入藝術世界,用于舞臺光(guang)影效果,以及激光(guang)全(quan)息攝像。英國籍(ji)匈牙(ya)利裔(yi)物理(li)學(xue)家Dennis Gabor憑借對(dui)全(quan)息攝像的研(yan)究獲得諾貝爾獎(jiang)。
1974年(nian):第一個超(chao)市條形碼掃描器出現。
1975年:IBM投放第一臺商用激(ji)光打印機。
1978年:飛利浦(pu)制造出第(di)一臺激光盤(LD)播放機(ji),不過價格很高(gao)。
1982年(nian):第一(yi)臺緊湊碟片(CD)播放機出(chu)現(xian),第一(yi)部CD盤(pan)是美國歌(ge)手Billy Joel在1978年(nian)的專(zhuan)輯52nd Street。
1983年:里根總統發表了“星球大戰”的(de)演講,描繪(hui)了基于太(tai)空的(de)激(ji)光武器。
1988年(nian):北美(mei)和歐洲(zhou)間架設了第一根光纖,用光脈沖來傳輸(shu)數(shu)據。
1990年:激(ji)光用于制造業,包括集成電路和(he)汽車制造。
1991年:第一次(ci)用激(ji)光治療近(jin)視,海灣戰爭中第一次(ci)用激(ji)光制導導彈。
1996年:東芝(zhi)推出數字多用途(tu)光盤(pan)(DVD)播放器(qi)。
2008年:法國神經外科學(xue)家使用廣導纖維激(ji)光和(he)微創手(shou)術技術治療了腦瘤。
2010年:美國國家核(he)安全管理(li)局(NNSA)表示,通過使用192束激光來(lai)束縛核(he)聚變(bian)的反應原料、氫的同位素氘(質(zhi)量數(shu)2)和氚(質(zhi)量數(shu)3),解決了核(he)聚變(bian)的一個關鍵(jian)困難。
2011年(nian)3月,研究人員研制的一種牽引波激(ji)光器能(neng)夠移(yi)動物體(ti),未(wei)來(lai)有望能(neng)移(yi)動太空飛船(chuan)。
2013年1月(yue),科學家已經成功研制出(chu)可(ke)用于醫學檢測(ce)的牽(qian)引光(guang)束。
2014年6月5日美國航天(tian)局利用激光(guang)束把一段(duan)時長37秒(miao)(miao)、名為“你好,世(shi)界!”的高清視頻,只(zhi)用了3.5秒(miao)(miao)就成功(gong)傳回,相當(dang)于傳輸速率達到每秒(miao)(miao)50兆,而(er)傳統技術(shu)下載需要(yao)至少10分鐘(zhong)。