激光的出現(xiàn)是20世紀(jì)60年代最重大的科學(xué)技術(shù)成就之一。它以其高亮度、高方向性、高單色性、高相干性等突出特點,得到了廣泛的應(yīng)用,并在科學(xué)技術(shù)的許多重大領(lǐng)域開辟了新的生長點,引起了革命性的變化。
1916年,愛因斯坦發(fā)表了《關(guān)于輻射的量子理論》一文,首次提出了受激輻射的概念。按照這個理論,處于高能態(tài)的物質(zhì)粒子受到一個能量等于兩個能級之間能量差的光子的作用,將轉(zhuǎn)變到低能態(tài),并產(chǎn)生第二個光子,同第一個光子同時發(fā)射出來,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,即兩個光子的方向、頻率、位相、偏振都完全相同。隨著量子力學(xué)的建立和發(fā)展,人們對物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及其運動規(guī)律有了更深入的了解,微觀粒子的能級分布、躍遷和光子輻射等也得到了更有力的證明,這在客觀上更加完善了愛因斯坦的輻射理論,為激光的產(chǎn)生奠定了理論基礎(chǔ)。

20世紀(jì)40年代末,出現(xiàn)了量子電子學(xué),它主要研究電磁輻射與各種微觀粒子系統(tǒng)的相互作用,并從而研制出相應(yīng)的器件。這些理論和技術(shù)的進展,都為激光器的發(fā)明準(zhǔn)備了條件。1951年,美國物理學(xué)家珀塞爾和龐德在核感應(yīng)實驗中,把加在工作物質(zhì)上的磁場突然反向,結(jié)果在核自旋體系中造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn),并獲得了每秒50千赫的受激輻射,這是在激光史上有重大意義的實驗。

1954年,美國科學(xué)家湯斯和他的助手戈登、蔡格一起,制成了第一臺氨分子束微波激射器。這臺微波激射器產(chǎn)生了125厘米波長的微波,功率很小,但它成功地開創(chuàng)了利用分子或原子體系作為微波輻射相干放大器或振蕩器的先例,因而具有重大意義。與此同時,前蘇聯(lián)的巴索夫和普羅霍洛夫以及美國馬里蘭大學(xué)的韋伯,也分別獨立地提出了微波激射器的思想。由于微波激射器的成功,使人們進一步想到,如果把微波激射器的原理推廣到光頻波段,就有可能制成一種相干光輻射的振蕩器或放大器。生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要,也推動科學(xué)家們?nèi)ヌ剿餍碌陌l(fā)光機理,以產(chǎn)生新的性能優(yōu)異的光源。
1958年,肖洛與湯斯將微波激射器與光學(xué)、光譜學(xué)的知識結(jié)合起來,提出了采用開式諧振腔的關(guān)鍵建議,并預(yù)言了激光的相干性、方向性、線寬和噪音等性質(zhì)。
同一時期,巴索夫、普羅霍洛夫等人也提出了實現(xiàn)受激輻射光放大的原理性方案。1960年7月,美國青年科學(xué)家梅曼成功地制造并運轉(zhuǎn)了世界第一臺激光器。工作物質(zhì)用人造紅寶石,激勵源是強的脈沖氙燈,它獲得了波長06943微米的紅色脈沖激光。第一臺激光器問世以后,激光發(fā)展很快,短短時間里就出現(xiàn)了許多不同類型的激光器。1961~1964年,先后制成釹玻璃激光器和摻釹釔鋁石榴石激光器,它們和紅寶石激光器都是迄今仍被大量應(yīng)用的固體激光器。1960年底,貝爾電話實驗室的賈萬等人制成了第一臺氣體激光器——氦氖激光器。
1962年,有三組科學(xué)家?guī)缀跬瑫r發(fā)明了半導(dǎo)體結(jié)激光器。1966年,又研制成了波長可在一段范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)的有機染料激光器。此外,還有輸出能量大、功率高,而且不依賴電網(wǎng)的化學(xué)激光器等。由于激光器的種種突出特點,因而很快被運用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、精密測量和探測、通訊與信息處理、醫(yī)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,利用激光集中而極高的能量,可以對各種材料進行加工。
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(yīng)的手段,已在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)上取得良好的效果;激光在軍事上除用于通信、夜視、預(yù)警、測距等方面外,各種激光武器、激光制導(dǎo)武器已投入實用。今后,隨著激光技術(shù)的進一步發(fā)展,激光器的性能和成本進一步降低,其應(yīng)用范圍還將繼續(xù)擴大,并將發(fā)揮出越來越重大的作用。
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