激光的起源:
激光的理論基礎起源于大物理學家愛因斯坦,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’。這一理論是說在組成物質的原子中,有不同數量的粒子(電子)分布在不同的能級上,在高能級上的粒子受到某種光子的激發,會從高能級跳到(躍遷)到低能級上,這時將會輻射出與激發它的光相同性質的光,而且在某種狀態下,能出現一個弱光激發出一個強光的現象。這就叫做“受激輻射的光放大”,簡稱激光。
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發明實踐的開始到激光器的誕生:
1951年,美國物理學家查爾斯·哈德·湯斯設想如果用分子,而不用電子線路,就可以得到波長足夠小的無線電波。分子具有各種不同的振動形式,有些分子的振動正好和微波波段范圍的輻射相同。問題是如何將這些振動轉變為輻射。就氨分子來說,在適當的條件下,它每秒振動24,000,000,000次(24GHz),因此有可能發射波長為1.25厘米的微波。 他設想通過熱或電的方法,把能量泵入氨分子中,使它們處于“激發“狀態。然后,再設想使這些受激的分子處于具有和氨分子的固有頻率相同的微波束中---這個微波束的能量可以是很微弱的。一個單獨的氨分子就會受到這一微波束的作用,以同樣波長的束波形式放出它的能量,這一能量又繼而作用于另一個氨分子,使它也放出能量。這個很微弱的入射微波束相當于起立腳點對一場雪崩的促發作用,最后就會產生一個很強的微波束。最初用來激發分子的能量就全部轉變為一種特殊的輻射。
1953年12月,湯斯和他的學生阿瑟·肖洛終于制成了按上述原理工作的的一個裝置,產生了所需要的微波束。這個過程被稱為“受激輻射的微波放大”。按其英文的首字母縮寫為M.A.S.E.R,并由之造出了單詞“maser”(脈澤)(這樣的單詞稱為首字母縮寫詞,在技術語中越來越普遍使用)。
1958年,美國科學家肖洛(Schawlow)和湯斯(Townes)發現了一種神奇的現象:當他們將氖光燈泡所發射的光照在一種稀土晶體上時,晶體的分子會發出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。根據這一現象,他們提出了"激光原理",即物質在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激發時,都會產生這種不發散的強光--激光。他們為此發表了重要論文,并獲得1964年的諾貝爾物理學獎。
1960年5月15日,美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼宣布獲得了波長為0.6943微米的激光,這是人類有史以來獲得的第一束激光,梅曼因而也成為世界上第一個將激光引入實用領域的科學家。
1960年7月7日,西奧多·梅曼宣布世界上第一臺激光器誕生,梅曼的方案是,利用一個高強閃光燈管,來激發紅寶石。由于紅寶石其實在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉,所以當紅寶石受到刺激時,就會發出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鉆一個孔,使紅光可以從這個孔溢出,從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱,當它射向某一點時,可使其達到比太陽表面還高的溫度。
1960年7月7日,《紐約時報》首先披露,梅曼成功制成了世界上第一臺紅寶石激光器,他以閃光燈的光線照射進一根手指頭大小的特殊紅寶石晶體,創造出了相干脈沖激光光束,這一成果后來震驚了全世界。在全世界頂尖的實驗室都爭取第一個發明激光器的情況下,梅曼當時的雇主——洛杉磯休斯飛機公司(Hughes Aircraft Company)獲得了勝利。
不過,梅曼在發表文章時并不順利。他先把論文投到《物理評論快報》(PRL),但當時的編輯Sam Goudsmit認為這只是又一篇maser 重復工作的文章,因此拒絕發表。后來梅曼終于將文章發表在《自然》雜志上。當然,經過多年的努力爭取,梅曼的成就已經得到了廣泛的承認。
梅曼1927年7月11日生于加州洛杉磯,是一個電氣工程師的兒子。父親希望他成為一位醫生,但他認為對激光的研究將對醫學產生更大的影響。盡管梅曼小時候是一個野性難馴的孩子,但他的數學非常好。在1949年從科羅拉多大學碩士畢業后,梅曼來到斯坦福大學攻讀博士研究生,并于1955年獲得博士學位,他的導師是于1955年獲得諾貝爾物理學獎的拉姆(Willis E. Lamb)。
在休斯飛機公司工作時,梅曼告訴老板他希望能夠制造一臺激光器,但由于當時其他著名實驗室都沒有做出什么令人振奮的成果,休斯公司還是希望他在計算機方面進行一些“有用”的工作。但梅曼堅持要進行研究,并以辭職相威脅。最終公司給了他9個月的時間,5萬美元和一位助手。
在第一臺激光器獲得成功后,梅曼又繼續對激光器在醫學治療上的應用進行研究,盡管當時的公眾認為這是一種“致死”的光線。不過,由于休斯公司并沒有再對激光器的潛在應用進行更多的投入,梅曼選擇了離開并于1961年創辦了自己的Korad公司。
美國物理學家、世界上第一臺激光器的發明者希爾多·梅曼(Theodore H. Maiman)因病于加拿大溫哥華的不列顛哥倫比亞大學逝世,享年79歲。梅曼罹患的是系統性肥大細胞增多癥(systemic mastocytosis),一種罕見的遺傳疾病。
終其一生,梅曼獲得了無數的獎勵。盡管1964年的諾貝爾物理學獎并沒有授予發明了世界上第一臺激光器的他,而是給了此前發明了微波激射器并提出激光器原理與設計方案的美國貝爾實驗室物理學家湯斯和蘇聯物理學家巴索夫、普羅霍羅夫,但梅曼仍兩次獲得諾貝爾獎提名,并獲得了物理學領域著名的日本獎和沃爾夫獎。他還于1984年被列入“美國發明家名人堂”(National Inventors Hall of Fame)。在《自然》雜志一百周年紀念的一本書中,湯斯將梅曼的論文稱為該雜志100年來發表的所有精彩論文中“字字珠璣的最重要的一篇”。
紀念梅曼的活動在每年的5月16日舉行,這也是梅曼的激光器首次使用的日子。
前蘇聯科學家尼古拉·巴索夫于1960年發明了半導體激光器。
半導體激光器的結構通常由p層、n層和形成雙異質結的有源層構成。其特點是:尺寸小、耦合效率高、響應速度快、波長和尺寸與光纖尺寸適配、可直接調制、相干性好。
作用: (l)激光通信 用光傳遞信息,在今天十分普遍。比如,艦船用燈語通信,交通燈用紅、黃、綠三色調度。但是所有這些用普通光傳遞信息的方式,都只能局限在短距離內。要想把信息通過光直接傳遞到遙遠的地方,就不能用普通光,而只能動用激光。 (2)材料加工 鉆孔、切割、焊接以及淬火,是加工金屬材料時最常用的操作。自從引進了激光后,在加工的強度、質量以及范圍等方面開創了全新的局面。除了金屬材料外,激光還能加工許多非金屬材料。 (3)激光照相排版 照相排版實際上是引入了光學攝影原理。用活字排版,必須根據書稿,依樣畫葫蘆地檢出各種大小、字體不同的鉛字和符號進行排版。而照相排版要簡便很多,它是通過排字機上的透鏡,來改變字樣的大小和形狀的。至于用透鏡為什么就能改變字樣的大小和形狀,這實際上就等于我們照“哈哈鏡”。 (4)激光在醫學上的應用 激光應用在醫療器械領域的成果是很多的,它可以扮演鉆頭、手術刀、焊槍等多種角色。 (5)激光武器 激光導彈在海灣戰爭中,以美國為首的多國部隊向伊拉克境內發動大規??找u,摧毀伊拉克的許多重要軍事目標。最后,這場戰爭以伊拉克的失敗而告終。有人說,海灣戰爭是一場先進武器的較量,這話確有道理。 此外,激光還可以不斷改變方向,對準各個目標,逐一摧毀,而且從經濟上來說,制造激光炮要比制造洲際導彈便宜得多。
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