激光技術(shù)發(fā)展簡史
化學(xué)先生 / 2019-08-31
光器的發(fā)明是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的一項重大成就。 它使人們終于有能力駕馭尺度極小,數(shù)量極大、運(yùn)動極混亂的分子和原子的發(fā)光過程，從面獲得產(chǎn)生、放大相干的紅外線、可見光線和紫外線，乃至X射線和y射線的能力。激光科學(xué)技術(shù)的興起使人類對光的認(rèn)識和利用達(dá)到了一個嶄新的水平。
激光器的誕生史 大致可以分為幾個階段，其中1916年愛因斯坦提出的受激輻射概念是其重要的理論基礎(chǔ)。這一~理論指出，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，與第一個光子同時發(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，即多個光子的發(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)的微觀結(jié)構(gòu)及運(yùn)動規(guī)律有了更深人的認(rèn)識，微觀粒子的能級分布、躍遷和光子輻射等問題也得到了更有力的證明，這就在客觀上更加完善了愛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(chǔ)。20世紀(jì)40年代末，量子電子學(xué)誕生后，被很快應(yīng)用于研究電磁棚射與各種微觀粒子系統(tǒng)的相互作用，井研制出許多相應(yīng)的器件，這些科學(xué)理論和技術(shù)的快速發(fā)展都為散光器的發(fā)明創(chuàng)造了條件。
如果一個系統(tǒng)中處于高能志的粒子數(shù)多于低能態(tài)的粒子數(shù)，就出現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)狀態(tài)。那么只要有一個光子引發(fā)， 就會迫使- 個處于高能態(tài)的原子受散輻射出一個與之相同的光子，這兩個光子又會引發(fā)其他原子受徽輔射，這樣就實現(xiàn)了光的放大:如果再加上酒當(dāng)講振腔的反饋作用便形成光振蕩，從面發(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驗中成功地造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并獲得了每秒SOkHz的受教輻射。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產(chǎn)生和放大微波的設(shè)計，
然而上述的微波波請學(xué)理論和實驗研究大都屬于“純科學(xué)”，對于激光器到底能否研制成功，在當(dāng)時還是很渺茫的。但科學(xué)家的努力終究有了結(jié)果，1954 年前面提到的美國物理學(xué)家湯斯終于制成了第一臺氨分子束微波激射器，成功地開創(chuàng)了利用分子和原子體系作為微波輻射相干放大器或振蕩器的先例。
湯斯等人研制的微波激射器只產(chǎn)生了 1. 25em波長的微波，功率很小。生產(chǎn)和科技不斷發(fā)展的需要推動科學(xué)家們?nèi)ヌ剿餍碌陌l(fā)光機(jī)理，以產(chǎn)生新的性能優(yōu)異的光源，1958 年，湯斯與他的姐夫阿瑟.肖洛將微波激射器與光學(xué)、光譜學(xué)的理論知識結(jié)合起來，提出了采用開式諧振腔的關(guān)鍵性建議，并提出了激光的相干性、方向性、線寬和噪聲等性質(zhì)。同期，巴素夫和普羅霍洛夫等人也提出了實現(xiàn)受激輔射光放大的原理性方法。此后，世界上許多實驗室都被卷人了一場激烈的研制比賽，看誰能成功制造并且運(yùn)轉(zhuǎn)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(dá)州邁阿密的研究實驗室，用一個高強(qiáng)閃光燈管來刺激在紅室石水晶里的鉻原子，從面產(chǎn)生-條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時，可使這一點(diǎn)達(dá)到比太陽還高的溫度。 至此， 他勉強(qiáng)贏得了這場世界范圍內(nèi)的研制競賽的勝利。
“梅曼設(shè)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的是氨氖激光器。盡管梅曼是第一個將激光引人實用領(lǐng)城的科學(xué)家，但在法庭上，關(guān)于到底是誰發(fā)明了這項技術(shù)的爭論，曾一度引起很大爭議。競爭者之一就是“激光”(“受激輻射式光頻放大器”的縮略詞)一詞的發(fā)明者戈登，古爾德。他在1957年攻讀哥倫比亞大學(xué)博土學(xué)位時提出了這個詞。與此同時，微波激射器的發(fā)明者湯斯與肖洛也發(fā)展了有關(guān)激光的概念。經(jīng)法庭最終判決，湯斯因研究的書面工作早于古爾德9個月面成為勝者。不過梅曼的激光器發(fā)明權(quán)卻未受到動搖。1964年，湯斯、巴索夫和普羅霍夫由于對激光研究的貢獻(xiàn)分享了諾貝爾物理學(xué)獎。
中國第臺紅寶石徽光器于1961年8月在中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功。這臺激光器在結(jié)構(gòu)上比梅曼所設(shè)計的有了新的改進(jìn)，尤其是在當(dāng)時我國工業(yè)水平比美國低得多，研制條件十分困難，全靠研究人員自己設(shè)計、動手制造。在這以后，我國的激光技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，并在各個領(lǐng)城得到了廣泛應(yīng)用。1987 年6月，10正12次方W 的大功率脈沖徽光系統(tǒng)一一神光裝置， 在中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功，多年來為我國的激光聚變研究做出了巨大的貢獻(xiàn)。
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