激光是如何被发现的?谁制造了第一台激光器?
1916年,爱因斯坦发表了《辐射的量子理论》一文,首次提出了受激辐射的概念。根据这一理论,一个处于高能态的物质粒子,在一个能量等于两个能级能量差的光子作用下,会转变为低能态,并产生第二个光子,与第一个光子同时发射,这就是受激辐射。这种辐射输出的光是放大的、相干的,即两个光子的方向、频率、相位、偏振完全相同。随着量子力学的建立和发展,人们对物质的微观结构及其运动规律有了更深入的认识,微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射也得到了更有力的证明,客观上完善了爱因斯坦的辐射理论,为激光的产生奠定了理论基础。
40年代后期出现了量子电子学,主要研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用,并由此开发出相应的器件。这些理论和技术的进步为激光的发明准备了条件。1951年,美国物理学家purcell和Pound在核感应实验中突然反转了施加在工作物质上的磁场,导致了核自旋系统中粒子数的反转和每秒50 kHz的受激辐射,这是激光史上具有重要意义的实验。
1954年,美国科学家唐斯和他的助手戈登、泽格一起制作了第一台氨分子束脉泽。这个脉泽产生了1?波长25 cm的微波功率很小,但成功开创了利用分子或原子系统作为微波辐射的相干放大器或振荡器的先例,因此意义重大。同时,前苏联的巴索夫和普罗霍洛夫以及美国马里兰大学的韦伯也独立提出了微波激射器的设想。由于微波激射器的成功,进一步认为如果将微波激射器的原理推广到光频段,就有可能制成相干光辐射的振荡器或放大器。生产的需要和科技的发展也促使科学家探索新的发光机制,生产出性能优异的新光源。
从65438年到0958年,Sholo和Towns结合了微波激射器、光学和光谱学的知识,提出了使用开放谐振腔的关键建议,并预言了激光的相干性、方向性、线宽和噪声等特性。
同时,巴索夫、普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理方案。1960年7月,美国青年科学家梅曼成功制造并操作了世界上第一台激光器。工作物质为人造红宝石,激发源为强脉冲氙灯,获得波长为0?6943微米红色脉冲激光器。第一台激光器问世后,激光器发展迅速,短时间内出现了许多不同类型的激光器。从1961到1964,先后制成了钕玻璃激光器和Nd: YAG激光器,它们和红宝石激光器仍然是广泛使用的固体激光器。1960年底,贝尔电话实验室的贾万等人制成了第一台气体激光器He-Ne激光器。
1962年,三组科学家几乎同时发明了半导体结激光器。1966年研制出波长连续可调的有机染料激光器。另外还有输出能量大、功率高的化学激光器,不依赖电网。由于其突出的特性,激光很快被应用到工业、农业、精密测量和检测、通信和信息处理、医疗、军事等各个方面,并在许多领域引起了革命性的突破。例如,利用激光的集中和极高的能量,可以加工各种材料。
激光作为一种刺激、变异、烧灼和汽化生物体的手段,在医学和农业上取得了良好的效果。在军事上,除了用于通信、夜视、预警和测距,各种激光武器和激光制导武器已经投入实用。未来,随着激光技术的进一步发展,激光器的性能和成本将进一步降低,应用范围将不断扩大,并将发挥越来越重要的作用。