激光诞生60周年,你对激光了解多少?
激光最初的中文名叫“镭射”“莱塞”,是它的英文名称LASER的音译,取自英文 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,意思是“通过受激辐射达到光的放大”,指通过受激辐射放大和必要的反馈,产生准直、单色( monochrome)、相干( coherent)的光束的过程及仪器。而基本上,产生激光需要“谐振腔”( resonator)、“增益介质”(gain medium)及“抽运源”(pumping source)这3个要素。
激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、 “最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”,它的亮度为太阳光的100亿倍。激光的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现,但直到 1960 年科学家才首次在实验条件下获得激光。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的,它一问世,就获得了异乎寻常的飞快发展。激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生,而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段,去获得空前的效益和成 果,从而促进了生产力的发展。
爱因斯坦在20世纪30年代描述了原子的受激辐射。在此之后人们很长时间都在猜测,这个现象可否被用来加强光场,因为前提是必须有粒子数反转存在。而这在一个二级**中是不可能的。首先人们想到了****,而且计算证实了辐射的稳定性。
1958年,美国科学家肖洛和汤斯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**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励时,都会产生这种不发散的强光——激光。他们为此发表了重要**。
肖洛和汤斯的研究成果发表之后,各国科学家纷纷提出各种实验方案,但都未获成功。1960年5月16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 μm的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼也因此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,梅曼宣布世界上第一台激光器——红宝石激光器诞生。梅曼的方案是,利用一个高强闪光灯管,来**红宝石。由于红宝石在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉,所以当红宝石受到**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。
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。
在20世纪80年代后期,半导体技术使得更高效而耐用的半导体激光二极管成为可能,这些在小功率的CD和DVD光驱以及光纤通信中得到使用。在20世纪90年代,高功率的激光激发原理得以实现,比如片状激光器和光纤激光器。后者由于新的加工技术和20 kW的高功率不断地被应用到材料加工领域中,从而部分替代了二氧化碳气体激光器和Nd:YAG固体激光器。
2010年激光诞生50周年时,国际光学工程学会、美国光学学会和美国激光学会等机构,组织世界各地的激光领域科学家,从成千上万的激光应用中总结归纳了26项亮点应用,包括光学相干层析成像、光纤光通信、光腔环形衰荡光谱、激光切割、激光标记、飞秒频闪谱、条形码扫描器、激光笔、激光光刻、DVD和CD播放机、激光演示与全息术、激光眼科医疗、微波激射器与宇宙背景微波辐射、激光干涉仪、激光核聚变、激光雷达(光探测和测距)、激光陀螺、激光导星自适应光学、入侵者激光探测、光镊、量子信息处理、光速减慢、超快摄影、激光制导、激光冷冻、激光推进与加速。
近10年来,军事领域的激光**(激光炮、激光反**、反卫星**),农业领域的激光育种,医疗领域的激光治疗癌症,测量领域的引力波干涉测量,制造领域的激光**、激光3D打印、激光微纳米制造、激光清洗也取得了长足进步。
经过60年的研究发展,与激光相关的产品、技术和服务已经遍布全球,形成了丰富和庞大的激光产业。产业链上游主要包括光学材料及元器件,中游主要是各种激光器及其配套装置与设备,下游以激光应用产品、激光制造装备、消费产品、仪器设备为主。激光产业为我国制造、高端装备、智能制造的发展发挥了重要作用。
今年是激光器诞生60周年,是值得纪念的一年。《高等光学**(MATLAB)版——光波导,激光(第3版)》第6章“激光原理及**”,从激光的基本原理出发,介绍辐射与物质的相互作用,关于自发辐射、受激辐射和受激吸收的爱因斯坦关系式,吸收与光学增益,激光器的基本构成,激光速率方程和激光调Q技术等内容。以一种典型的被动调Q的微晶片激光器为例,给出了其被动调Q的速率方程组,该速率方程组可以简化为一个具有3个自变量的常微分方程组。利用MATLAB的常微分方程初值问题求解函数即可对该被动调Q速率方程组进行**求解,得到被动调Q的微晶片激光器的脉冲时域特性以及被动调Q过程中光子数密度和反转粒子数密度随时间的变化关系。希望通过**加强大家对激光及其原理的理解,并能够利用激光做更多的事情。
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