激光的起源

发表时间:2018-07-02 16:29     点击:

文章摘要:激光的起源: 激光的理论基础起源于大物理学家 爱因斯坦 ,1917年 爱因斯坦 提出了一套全新的技术理论光与物质相互作用。这一理论是说在组成物质的原子中,有不同数量的粒子(电......!


激光的起源:

激光的理论基础起源于大物理学家爱因斯坦,1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论‘光与物质相互作用’。这一理论是说在组成物质的原子中,有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上,在高能级上的粒子受到某种光子的激发,会从高能级跳到(跃迁)到低能级上,这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光,而且在某种状态下,能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”,简称激光。

激光的起源

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  发明实践的开始到激光器的诞生:

  1951年,美国物理学家查尔斯·哈德·汤斯设想如果用分子,而不用电子线路,就可以得到波长足够小的无线电波。分子具有各种不同的振动形式,有些分子的振动正好和微波波段范围的辐射相同。问题是如何将这些振动转变为辐射。就氨分子来说,在适当的条件下,它每秒振动24,000,000,000次(24GHz),因此有可能发射波长为1.25厘米的微波。 他设想通过热或电的方法,把能量泵入氨分子中,使它们处于“激发“状态。然后,再设想使这些受激的分子处于具有和氨分子的固有频率相同的微波束中---这个微波束的能量可以是很微弱的。一个单独的氨分子就会受到这一微波束的作用,以同样波长的束波形式放出它的能量,这一能量又继而作用于另一个氨分子,使它也放出能量。这个很微弱的入射微波束相当于起立脚点对一场雪崩的促发作用,最后就会产生一个很强的微波束。最初用来激发分子的能量就全部转变为一种特殊的辐射。

  1953年12月,汤斯和他的学生阿瑟·肖洛终于制成了按上述原理工作的的一个装置,产生了所需要的微波束。这个过程被称为“受激辐射的微波放大”。按其英文的首字母缩写为M.A.S.E.R,并由之造出了单词“maser”(脉泽)(这样的单词称为首字母缩写词,在技术语中越来越普遍使用)。

  1958年,美国科学家肖洛(Schawlow)和汤斯(Townes)发现了一种神奇的现象:当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象,他们提出了"激光原理",即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时,都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此发表了重要论文,并获得1964年的诺贝尔物理学奖

  1960年5月15日,美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。

  1960年7月7日,西奥多·梅曼宣布世界上第一台激光器诞生,梅曼的方案是,利用一个高强闪光灯管,来激发红宝石。由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉,所以当红宝石受到刺激时,就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔,使红光可以从这个孔溢出,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度。

  1960年7月7日,《纽约时报》首先披露,梅曼成功制成了世界上第一台红宝石激光器,他以闪光灯的光线照射进一根手指头大小的特殊红宝石晶体,创造出了相干脉冲激光光束,这一成果后来震惊了全世界。在全世界顶尖的实验室都争取第一个发明激光器的情况下,梅曼当时的雇主——洛杉矶休斯飞机公司(Hughes Aircraft Company)获得了胜利。

  不过,梅曼在发表文章时并不顺利。他先把论文投到《物理评论快报》(PRL),但当时的编辑Sam Goudsmit认为这只是又一篇maser 重复工作的文章,因此拒绝发表。后来梅曼终于将文章发表在《自然》杂志上。当然,经过多年的努力争取,梅曼的成就已经得到了广泛的承认。

  梅曼1927年7月11日生于加州洛杉矶,是一个电气工程师的儿子。父亲希望他成为一位医生,但他认为对激光的研究将对医学产生更大的影响。尽管梅曼小时候是一个野性难驯的孩子,但他的数学非常好。在1949年从科罗拉多大学硕士毕业后,梅曼来到斯坦福大学攻读博士研究生,并于1955年获得博士学位,他的导师是于1955年获得诺贝尔物理学奖的拉姆(Willis E. Lamb)。

  在休斯飞机公司工作时,梅曼告诉老板他希望能够制造一台激光器,但由于当时其他著名实验室都没有做出什么令人振奋的成果,休斯公司还是希望他在计算机方面进行一些“有用”的工作。但梅曼坚持要进行研究,并以辞职相威胁。最终公司给了他9个月的时间,5万美元和一位助手。

  在第一台激光器获得成功后,梅曼又继续对激光器在医学治疗上的应用进行研究,尽管当时的公众认为这是一种“致死”的光线。不过,由于休斯公司并没有再对激光器的潜在应用进行更多的投入,梅曼选择了离开并于1961年创办了自己的Korad公司。

  美国物理学家、世界上第一台激光器的发明者希尔多·梅曼(Theodore H. Maiman)因病于加拿大温哥华的不列颠哥伦比亚大学逝世,享年79岁。梅曼罹患的是系统性肥大细胞增多症(systemic mastocytosis),一种罕见的遗传疾病。

  终其一生,梅曼获得了无数的奖励。尽管1964年的诺贝尔物理学奖并没有授予发明了世界上第一台激光器的他,而是给了此前发明了微波激射器并提出激光器原理与设计方案的美国贝尔实验室物理学家汤斯和苏联物理学家巴索夫、普罗霍罗夫,但梅曼仍两次获得诺贝尔奖提名,并获得了物理学领域著名的日本奖和沃尔夫奖。他还于1984年被列入“美国发明家名人堂”(National Inventors Hall of Fame)。在《自然》杂志一百周年纪念的一本书中,汤斯将梅曼的论文称为该杂志100年来发表的所有精彩论文中“字字珠玑的最重要的一篇”。

  纪念梅曼的活动在每年的5月16日举行,这也是梅曼的激光器首次使用的日子。

激光的起源

激光的起源

  前苏联科学家尼古拉·巴索夫于1960年发明了半导体激光器。

  半导体激光器的结构通常由p层、n层和形成双异质结的有源层构成。其特点是:尺寸小、耦合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。

激光的起源

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  作用:      (l)激光通信       用光传递信息,在今天十分普遍。比如,舰船用灯语通信,交通灯用红、黄、绿三色调度。但是所有这些用普通光传递信息的方式,都只能局限在短距离内。要想把信息通过光直接传递到遥远的地方,就不能用普通光,而只能动用激光。      (2)材料加工       钻孔、切割、焊接以及淬火,是加工金属材料时最常用的操作。自从引进了激光后,在加工的强度、质量以及范围等方面开创了全新的局面。除了金属材料外,激光还能加工许多非金属材料。      (3)激光照相排版       照相排版实际上是引入了光学摄影原理。用活字排版,必须根据书稿,依样画葫芦地检出各种大小、字体不同的铅字和符号进行排版。而照相排版要简便很多,它是通过排字机上的透镜,来改变字样的大小和形状的。至于用透镜为什么就能改变字样的大小和形状,这实际上就等于我们照“哈哈镜”。      (4)激光在医学上的应用       激光应用在医疗器械领域的成果是很多的,它可以扮演钻头、手术刀、焊枪等多种角色。      (5)激光武器       激光导弹在海湾战争中,以美国为首的多国部队向伊拉克境内发动大规模空袭,摧毁伊拉克的许多重要军事目标。最后,这场战争以伊拉克的失败而告终。有人说,海湾战争是一场先进武器的较量,这话确有道理。       此外,激光还可以不断改变方向,对准各个目标,逐一摧毁,而且从经济上来说,制造激光炮要比制造洲际导弹便宜得多。

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