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        激光是如何被研制出來的?

        2002年4月7日,中國“神光二號”巨型激光器研制成功。你可知道,激光束如何被研制出來的呢?

        激光是如何被研制出來的?

        激光是20世紀人類值得驕傲的重大發明之一2020买球平台,它是迄今性能最為優越的光源2020买球平台2020买球平台。自從20世紀60年代初激光被發明以來,迅速被應用于工業、軍事2020买球平台、通信、醫學2020买球平台、科研等各領域,給傳統工業和經典技術以巨大沖擊,產生大批高新工業和新的學科,影響了人類生活的方方面面。

        激光是理論先于實踐的典型代表。早在1916年2020买球平台,愛因斯坦在研究光和物質的相互作用時2020买球平台,就奠定了激光的理論基礎。他提出激光的產生與原子的結構有關。在原子內部,存在原子核和核外電子,電子離原子核的距離越遠2020买球平台,所具有的能量越高2020买球平台,這時我們稱電子處于較高的能級。處于較高能級的電子可以自動“跳躍”到較低的能級,同時釋放出特定頻率的光子(光子的能量等于兩個能級的能量差),稱為自發輻射2020买球平台。如果有光子照射進原子2020买球平台,當光子能量正好等于電子高低能級的能量差時,處于高能級的電子將在入射光子影響下向低能級躍遷,同時發出一個與入射光子頻率相同的光子出來2020买球平台,稱為受激輻射2020买球平台。

        自發輻射是隨機過程,處于高能級的原子發射光子的時間是隨機的,發出的光的相位、偏振2020买球平台、傳播方向等參數是隨機的,光子之間沒有確定的聯系,這正是大多數自然光源所處的狀態。而受激輻射發出的光子的物理參數都與外來的光子相同,是近乎完美的光。我們可以這樣類比,當外國侵略者入侵時,自發起來反抗入侵的游擊隊的武器、服裝、人員組成都是雜亂無章的2020买球平台;而政府為應對入侵而正式征集的軍隊,其武器、服裝和人員組成都非常統一。

        雖然理論上預言了可以有受激輻射這樣近乎完美的光,如何實現它卻困擾了物理學家40多年2020买球平台,有人甚至一度認為這是不可能的。為什么會這樣呢?

        當光射入物質時,原子中處于低能級的電子會吸收光子,叫作受激吸收。在正常情況下,處于較高能級的電子數量遠少于處于較低能級的電子數量,原子處于這樣的狀態才比較穩定2020买球平台。因此受激吸收總是強于受激輻射,從自然狀態來看,光是被吸收的。要產生較強的受激輻射,必須想辦法讓處于高能級的電子多于處于低能級的電子,叫作粒子數反轉?2020买球平台?扇绾尾拍軐崿F它,大家都一籌莫展。

        直到1951年,苦思多年的美國物理學家湯斯一天早晨等候買早餐時,才突然認識到,用熱或電的方法,把能量泵入氨分子中,可以讓它們處于激發狀態,就可以用微波誘導它們發射出很強的“受激微波”,他立刻把這個想法記錄在一個用過的信封背面?;氐綄嶒炇?,他把氨分子放在諧振腔內,利用振蕩和反饋放大產生出來的受激輻射2020买球平台,于兩年后成功實現了“受激輻射微波放大”(簡稱為微波激射)。幾年之后,光學波段的受激輻射光源也被研制出來了。

        同樣,在光學波段,物理學家使用了其他物質來實現粒子數反轉,比如氦—氖氣體、二氧化碳氣體、紅寶石等。在這些物質中,通常存在三個或四個能級2020买球平台,包括一個基態和多個激發態,其中一個激發態很穩定,電子等粒子在這個能級上能停留較長時間,叫亞穩態。其他能級更高的激發態不穩定,粒子只能停留很短時間。在外界電源或者光源激勵下,處于基態的粒子被抽運到較高的能級中,短暫停留后,粒子轉移到亞穩態上2020买球平台,在這個能級上逐漸積累了大量粒子,比基態的粒子數還多,從而實現了粒子數反轉。

        如果現在有光子進入,當光子的頻率為特定值時,它能引起亞穩態的大量粒子同時向基態躍遷2020买球平台,產生大量頻率、相位、偏振態相同的光子,這就是受激輻射。

        僅僅實現粒子數反轉,還不足以制造出激光器。因為激光器的工作物質內原子自發輻射的初始光信號是雜亂無章的,在這些光信號的激勵下得到的放大的受激輻射同樣是隨機的。為了得到方向單一2020买球平台、單色性很好的受激輻射,必須在工作物質兩端放置相互平行的反射面,形成光學諧振腔。光線在兩鏡間來回反射,其中方向與鏡面不垂直的光線逐漸被反射出去2020买球平台,只留下垂直于鏡面的受激輻射光2020买球平台,這就是激光光束方向性很好的原因。光在諧振腔內來回反射過程中2020买球平台,工作介質使光線增強,從而形成強度很高的激光2020买球平台。

        美國科學家梅曼利用改進的干涉諧振腔,采用紅寶石作為工作物質2020买球平台,利用高強閃光燈光管來激發紅寶石,于1960年5月獲得了波長為694.3納米的激光,此時距離愛因斯坦提出激光理論已經40多年了。

        2018-05-08
        新聞資訊/NEWS
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