激光的发明及广泛应用讲解

1、激光的发明及广泛应用摘要：激光器的发明是 20 世纪科学技术有划时代意义的一项成就。从近代一开始，激光理论、激光器件、激光应用各 方面的研究广泛开展，各种激光器如雨后春笋一般涌现。几 十年来，激光科学成果累累，已成为影响人类社会文明的又 一重要因素。关键字：受激辐射 粒子数反转 放大器 1960 年 5 月 16 日，世界上第一个激光器红宝石激光 器发出了一束神奇的光，它的名字叫“激光”。最初中文的 名称叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称 LASER 的 音译。 LASER 是英文“受激辐射的光放大”的缩写。 什么叫做“受激辐射”？他基于伟大的科学家爱因斯坦在 1916 年提出了的一套全新

2、的理论。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。普朗克的能量子假说和爱因斯坦的光量子理论为量子 电子学的发展奠定了基础。特别是爱因斯坦 1916 年对辐射 理论的分析，为激光提供了理论基础。而 美 国 马 萨诸 塞 州 坎 布 里 奇 的 麻 省 理 工 学 院 的 汤 斯 （ CharlesH Townes ， 1915 ）也为此做出了不可磨灭

3、的贡献。他研究的是微波和分子之间的相互作用。他计算出 把分子束系统的高能态与低能态分开，并使之馈入腔中的条 件。他还考虑到腔中应充有电磁辐射以便激发分子进一步辐 射，从而提供了反馈，保持持续振荡。 这时拍赛尔和庞德在哈佛大学已经实现了粒子数反转，不过 信号太弱，人们无法加以利用。当时人们已经认识到，粒子 数反转是放大的必要条件。汤斯认为是粒子没有办法放大。 他一直在苦思这个问题。他设想如果将介质置于诸振腔内， 利用振荡和反馈，也许可以放大。汤斯很熟悉无线电工程， 所以别人没有想到的，他先想到了。汤斯开始按他的新方案进行工作。 这个组的成员有博士后 齐格尔（ H JZeiger ）和博士生戈登（

4、 JPGordon ）。 后来齐格尔离开哥伦比亚，由中国学生王天眷接替。汤斯选 择氨分子作为激活介质。这是因为他从理论上预见到，氨分 子的锥形结构中有一对能级可以实现受激辐射，跃迁频率为 23870 MHz 。氨分子还有一个特性，就是在电场作用下， 可以感应产生电偶极矩。氨的分子光谱早在 1934 年即有人 用微波方法作出了透彻研究。 1946 年又有人对其精细结构 作了观察，这都为汤斯的工作奠定了基础。汤斯小组历经两年的试验， 终于在 1953 年制成了第一台 微波激射器，取名为“微波激射放大器”( Microwave Amplification by Stimulated Emission

5、 of Radiation )，简称 MASER (微波激射器) 。与此同时，还有几个科学集体在尝试实现微波的放大。 其 中在苏联有莫斯科的列别捷夫物理研究所普洛霍洛夫和巴 索夫的小组，他们一直在研究分子转动和振动光谱，探索利 用微波波谱方法建立频率和时间的标准。他们认定，只要人 为地改变能级的集居数就可以大大增加波谱仪的灵敏度，并 且预言，利用受激辐射有可能实现这一目标。他们也用非均 匀电场使不同能态的分子分离，不过他们的装置比汤斯小组 的晚了几个月才运转。但是这并不是真正的激光器！ 普罗霍罗夫所依据的原理是物质中电子的受激发射效 应。实际上就是爱因斯坦早在 1916 年就提出的受激辐射概

6、念。一个能放大的系统，如果适当加大正反馈，就能形成振 荡。这就是量子放大与量子振荡的基本原理。氨分子激射器作为第一个量子电子学器件， 有其重要的历 史意义。它制成后不久，就被做成氨分子钟，作为时间和频 率的基准。但由分子束或气体制成的微波激射器波段有限， 浓度低，功率小。还有待于继续发展。后来普罗霍罗夫把氨分子激射器的工作波长减小到亚毫 米量级，把频率提高了一两个量级。从 1955 年起，普罗霍 罗夫又把注意力转向顺磁共振微波激射器，他在几年内研究 了一系列顺磁晶体的顺磁共振与弛豫特性，并于 1958 年获 得了微波激射。1958 年普罗霍罗夫和汤斯分别发表文章，指出光学中使 用的法布里一伯罗

7、标准具可用作从亚毫米波直到可见光波 段的谐振腔。 在他们的理论指导下， 两年后就发明了激光器。但在当时激光器的功率还很低，另一位科学家巴索夫 对此做出了重要的科学贡献对半导体激光器的研究。 早 在第一台激光器问世以前，巴索夫在 1959 年就提出了半导 体激光器的方案。在半导体上加上足够强的脉冲电场，在强 电场作用下，大量原子通过碰撞而被电离，导带中的电子数 及价带中的空穴数均急剧增多。当电场撤去后，在一定条件 下，可以产生粒子数反转状态。 1961 年，巴索夫又提出 p n 结注入式激光器的原理， 发表于苏联 实验与理论物理 杂志上。他还导出了产生受激发射的条件。据此，好几个研 究组在 19

8、62 年先后制成了半导体激光器。巴索夫用砷化锌 （GaAS ）在 77 K 下获得近红外光的受激辐射。 这种类型的 激光器后来得到不断的完善， 改进了结构， 降低了阈值电流， 提高了效率， 压缩了激光线宽， 特别是使其能在室温下工作。 到了 70 年代后期，已逐渐形成了在应用上大发展的局面。成为当前应用最广的一种半导体激光至此，真正的激光器便诞生了！可见它的诞生真是历尽了千 辛万苦！但是它却发挥着难以想象的巨大的作用！ 激光有亮度高，方向性好，单色性好，相干性好等特点。它 的能量高度集中，比太阳表面的亮度高几百亿倍，可产生几 万度的高温。 可以来诱发化学反应， 甚至可以引发热核聚变！ 不仅如此

9、，激光发射后发射角非常小，射出 20 公里，光斑 直径只有 20 30 厘米，因此做成的测距仪精度非常高！ 它的波长基本一致，谱现宽度非常窄，颜色很纯，由于这个 特性，激光在通信技术中应用很广现在有激光雷达，激 光卫星等多种通讯设备！ 激光在医学上应用非常广泛，聚焦后的激光束好象一把利 “刀”，且具有热凝固止血作用，故被称为是“神刀”。激 光对周围正常脑组织损伤很小，精确度高，适用于脑外科手 术治疗。对于耳鼻喉咽解剖学的特点，采用普通器械手术难 度很大，应用光纤传输激光治疗非常方便！它对皮肤恶性肿 瘤和癌症的治疗有特殊效果，可避免癌细胞扩散和转移，手 术不出血或少出血，病灶清除彻底，可高温灭菌，预防感染 等诸多优点！ 激光在军事上的用途也非常广泛，现在已经研制成了激光