激光器的發(fā)明
激光器的發(fā)明是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)重大成就。它使人們終于有能力駕駛尺度極小、數(shù)量極大、運(yùn)動(dòng)極混亂的分子和原子的發(fā)光過(guò)程，從而獲得產(chǎn)生、放大相干的紅外線、可見(jiàn)光線和紫外線（以至X射線和γ射線）的能力。激光科學(xué)技術(shù)的興起使人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)和利用達(dá)到了一個(gè)嶄新的水平。
激光器的誕生史大致可以分為幾個(gè)階段，其中1916年愛(ài)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(gè)能量等于兩個(gè)能級(jí)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(gè)光子，同第一個(gè)光子同時(shí)發(fā)射出來(lái)，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，即如多個(gè)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(duì)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律有了更深入的認(rèn)識(shí)，微觀粒子的能級(jí)分布、躍遷和光子輻射等問(wèn)題也得到了更有力的證明，這也在客觀上更加完善了愛(ài)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)用于研究電磁輻射與各種微觀粒子系統(tǒng)的相互作用，并研制出許多相應(yīng)的器件。這些科學(xué)理論和技術(shù)的快速發(fā)展都為激光器的發(fā)明創(chuàng)造了條件。
如果一個(gè)系統(tǒng)中處于高能態(tài)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(gè)光子引發(fā)，就會(huì)迫使一個(gè)處于高能態(tài)的原子受激輻射出一個(gè)與之相同的光子，這兩個(gè)光子又會(huì)引發(fā)其他原子受激輻射，這樣就實(shí)現(xiàn)了光的放大；如果加上適當(dāng)?shù)闹C振腔的反饋?zhàn)饔帽阈纬晒庹袷帲瑥亩l(fā)射出激光。這就是激光器的工作原理。1951年，美國(guó)物理學(xué)家珀塞爾和龐德在實(shí)驗(yàn)中成功地造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并獲得了每秒50千赫的受激輻射。稍后，美國(guó)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(lái)產(chǎn)生和放大微波的設(shè)計(jì)。
然而上述的微波波譜學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)研究大都屬于“純科學(xué)”，對(duì)于激光器到底能否研制成功，在當(dāng)時(shí)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(guó)物理學(xué)家湯斯終于制成了第一臺(tái)氨分子束微波激射器，成功地開(kāi)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1.25厘米波長(zhǎng)的微波，功率很小。生產(chǎn)和科技不斷發(fā)展的需要推動(dòng)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(shí)結(jié)合起來(lái)，提出了采用開(kāi)式諧振腔的關(guān)鍵性建議，并預(yù)防了激光的相干性、方向性、線寬和噪音等性質(zhì)。同期，巴索夫和普羅霍洛夫等人也提出了實(shí)現(xiàn)受激輻射光放大的原理性方案。
此后，世界上許多實(shí)驗(yàn)室都被卷入了一場(chǎng)激烈的研制競(jìng)賽，看誰(shuí)能成功制造并運(yùn)轉(zhuǎn)世界上第一臺(tái)激光器。
1960年，美國(guó)物理學(xué)家西奧多·梅曼在佛羅里達(dá)州邁阿密的研究實(shí)驗(yàn)室里，勉強(qiáng)贏得了這場(chǎng)世界范圍內(nèi)的研制競(jìng)賽。他用一個(gè)高強(qiáng)閃光燈管來(lái)刺激在紅寶石水晶里的鉻原子，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時(shí)，可使這一點(diǎn)達(dá)到比太陽(yáng)還高的溫度。
“梅曼設(shè)計(jì)”引起了科學(xué)界的震驚和懷疑，因?yàn)榭茖W(xué)家們一直在注視和期待著的是氦氖激光器。
盡管梅曼是第一個(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家，但在法庭上，關(guān)于到底是誰(shuí)發(fā)明了這項(xiàng)技術(shù)的爭(zhēng)論，曾一度引起很大爭(zhēng)議。競(jìng)爭(zhēng)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)博士學(xué)位時(shí)提出了這個(gè)詞。與此同時(shí)，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(shū)面工作早于古爾德9個(gè)月而成為勝者。不過(guò)梅曼的激光器的發(fā)明權(quán)卻未受到動(dòng)搖。
1960年12月，出生于伊朗的美國(guó)科學(xué)家賈萬(wàn)率人終于成功地制造并運(yùn)轉(zhuǎn)了全世界第一臺(tái)氣體激光器——氦氖激光器。1962年，有三組科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)明了半導(dǎo)體激光器。1966年，科學(xué)家們又研制成了波長(zhǎng)可在一段范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)的有機(jī)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)激光器等紛紛問(wèn)世。
由于激光器具備的種種突出特點(diǎn)，因而被很快運(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、精密測(cè)量和探測(cè)、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，人們利用激光集中而極高的能量，可以對(duì)各種材料進(jìn)行加工，能夠做到在一個(gè)針頭上鉆200個(gè)孔；激光作為一種在生物機(jī)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)的實(shí)際應(yīng)用上取得了良好效果；在通信領(lǐng)域，一條用激光柱傳送信號(hào)的光導(dǎo)電纜，可以攜帶相當(dāng)于2萬(wàn)根電話銅線所攜帶的信息量；激光在軍事上除用于通信、夜視、預(yù)警、測(cè)距等方面外，多種激光武器和激光制導(dǎo)武器也已經(jīng)投入實(shí)用。
今后，隨著人類對(duì)激光技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展，激光器的性能和成本將進(jìn)一步降低，但是它的應(yīng)用范圍卻還將繼續(xù)擴(kuò)大，并將發(fā)揮出越來(lái)越巨大的作用。
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