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激光器的發(fā)展歷史
時(shí)間:2020-04-17 10:05:42 | 編輯: | 瀏覽量:1867

激光器的發(fā)展歷史

激光器的發(fā)明是20世紀科學(xué)技術(shù)的一項重大成就。它使人們終于有能力駕駛尺度極小、數量極大、運動(dòng)極混亂的分子和原子的發(fā)光過(guò)程,從而獲得產(chǎn)生、放大相干的紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光線(xiàn)和紫外線(xiàn)的能力。激光科學(xué)技術(shù)的興起使人類(lèi)對光的認識和利用達到了一個(gè)嶄新的水平。激光器的誕生史大致可以分為幾個(gè)階段。

  1916年愛(ài)因斯坦提出的受激輻射概念是其重要的理論基礎。這一理論指出,處于高能態(tài)的物質(zhì)粒子受到一個(gè)能量等于兩個(gè)能級之間能量差的光子的作用,將轉變到低能態(tài),并產(chǎn)生第二個(gè)光子,同第一個(gè)光子同時(shí)發(fā)射出來(lái),這就是受激輻射。這種輻射輸出的光獲得了放大,而且是相干光,即如多個(gè)光子的發(fā)射方向、頻率、位相、偏振完全相同。此后,量子力學(xué)的建立和發(fā)展使人們對物質(zhì)的微觀(guān)結構及運動(dòng)規律有了更深入的認識,微觀(guān)粒子的能級分布、躍遷和光子輻射等問(wèn)題也得到了更有力的證明,這也在客觀(guān)上更加完善了愛(ài)因斯坦的受激輻射理論,為激光器的產(chǎn)生進(jìn)一步奠定了理論基礎。

  20世紀40年代末,量子電子學(xué)誕生后,被很快應用于研究電磁輻射與各種微觀(guān)粒子系統的相互作用,并研制出許多相應的器件。這些科學(xué)理論和技術(shù)的快速發(fā)展都為激光器的發(fā)明創(chuàng )造了條件。如果一個(gè)系統中處于高能態(tài)的粒子數多于低能態(tài)的粒子數,就出現了粒子數的反轉狀態(tài)。那么只要有一個(gè)光子引發(fā),就會(huì )迫使一個(gè)處于高能態(tài)的原子受激輻射出一個(gè)與之相同的光子,這兩個(gè)光子又會(huì )引發(fā)其他原子受激輻射,這樣就實(shí)現了光的放大;如果加上適當的諧振腔的反饋作用便形成光振蕩,從而發(fā)射出激光。這就是激光器的工作原理。

  1951年,美國物理學(xué)家珀塞爾和龐德在實(shí)驗中成功地造成了粒子數反轉,并獲得了每秒50千赫的受激輻射。稍后,美國物理學(xué)家查爾斯·湯斯以及蘇聯(lián)物理學(xué)家馬索夫和普羅霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激輻射原理來(lái)產(chǎn)生和放大微波的設計。然而上述的微波波譜學(xué)理論和實(shí)驗研究大都屬于“純科學(xué)”,對于激光器到底能否研制成功,在當時(shí)還是很渺茫的。

  1958年,湯斯與阿瑟肖洛將微波激射器與光學(xué)、光譜學(xué)的理論知識結合起來(lái),提出了采用開(kāi)式諧振腔的關(guān)鍵性建議,并預防了激光的相干性、方向性、線(xiàn)寬和噪音等性質(zhì)。同期,巴索夫和普羅霍洛夫等人也提出了實(shí)現受激輻射光放大的原理性方案。此后,世界上許多實(shí)驗室都被卷入了一場(chǎng)激光器研制競賽,看誰(shuí)能成功制造并運轉世界上第一臺激光器。

  1960年,美國物理學(xué)家西奧多梅曼在佛羅里達州邁阿密的研究實(shí)驗室里,用一個(gè)高強閃光燈管來(lái)刺激在紅寶石水晶里的鉻原子,從而產(chǎn)生一條相當集中的纖細紅色光柱,當它射向某一點(diǎn)時(shí),可使這一點(diǎn)達到比太陽(yáng)還高的溫度?!懊仿O計”引起了科學(xué)界的震驚和懷疑,因為科學(xué)家們一直在注視和期待著(zhù)的是氦氖激光器。1960年12月,出生于伊朗的美國科學(xué)家賈萬(wàn)率人終于成功地制造并運轉了全世界第一臺氣體激光器——氦氖激光器。

  1962年,有三組科學(xué)家幾乎同時(shí)發(fā)明了半導體激光器。1966年,科學(xué)家們又研制成了波長(cháng)可在一段范圍內連續調節的有機染料激光器。此外,還有輸出能量大、功率高,而且不依賴(lài)電網(wǎng)的化學(xué)激光器等紛紛問(wèn)世。

  由于激光器具備的種種突出特點(diǎn),因而被很快運用于工業(yè)、農業(yè)、精密測量和探測、通訊與信息處理、醫療、軍事等各方面,并在許多領(lǐng)域引起了革命性的突破。比如,人們利用激光集中而極高的能量,可以對各種材料進(jìn)行加工,能夠做到在一個(gè)針頭上鉆200個(gè)孔;激光作為一種在生物機體上引起刺激、變異、燒灼、汽化等效應的手段,已在醫療、農業(yè)的實(shí)際應用上取得了良好效果;在通信領(lǐng)域,一條用激光柱傳送信號的光導電纜,可以攜帶相當于萬(wàn)根電話(huà)銅線(xiàn)所攜帶的信息量;激光器在軍事上除用于通信、夜視、預警、測距等方面外,多種激光武器和激光制導武器也已經(jīng)投入實(shí)用。

 

 

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