激光是如何被发现的？

知道了激光的特性，再来看看它是怎么被发现的。

我们必须从阿基米德开始。阿基米德是一位伟大的学者，他的故事广为流传。他洗澡的时候发明了称冠的方法。没有人会忘记，但他肯定不熟悉自己制造武器的意图。古希腊学者阿基米德的故乡，是地中海沿岸一个美丽的地方。相传公元前3世纪，这里物产丰富，人杰地灵。人们崇尚科学，讲究文明，生活富裕，安居乐业，处处呈现出一派祥和宁静的景象。但地中海彼岸的罗马帝国对此十分嫉妒，他们对这片富饶的土地早就咄咄逼人，觊觎已久。但由于连年征战，无暇顾及，时机尚未成熟，没有轻举妄动。

聪明的希腊人也知道，他们美丽的国土随时有被入侵的危险。他们居安思危，研究对策。当时希腊国王还向全国发出诏书，动员全国人民研究应对入侵的良策。

崇尚科学的希腊人自然把目光投向了科学，希望科学能够救国。因为阿基米德的家乡在地中海上，而且是最先被罗马帝国侵略的地方，历史的重担就落在了阿基米德的肩上。他向家乡的长辈承诺，他要研发一种秘密武器来打败罗马帝国的军队。但是他用的是什么武器，没人知道。

突然有一天，一个阳光明媚的日子，一支庞大的罗马舰队出现在地中海，向阿基米德的故乡希腊进发，眼看这片美丽的土地就要被入侵者践踏。

有人向阿基米德报告，阿基米德叫大家去海边看热闹，他要独自摧毁罗马舰队。人们会持怀疑态度。我看见阿基米德骑在一匹快马上，飞快地向山上跑去。

何况罗马舰队，浩浩荡荡，咄咄逼人，直扑而来。

前面的船向指挥官报告，发现岸上很多人都在驻足观看，并没有太多恐惧，好像在观看罗马舰队演习。指挥官喜出望外，心想，他们一点准备都没有，我们一定会大获全胜。

就在这时，一道明亮的光像一把剑划破了天空。很快，罗马舰队的木质战船接连起火。一瞬间，他们看到浓烟滚滚，火焰冲天。哭喊声，火的噼啪声，逃跑时入水的声音...

强大的罗马舰队不战而败。

人们顺着明亮的光线望去，看到山顶上有一面巨大的凹面镜在闪闪发光。阿基米德正在指挥他的助手忙碌起来。

阿基米德就是用轻武器打败了罗马舰队。

这个传说虽然很刺激，但是经不起推敲。

18世纪，一个叫皮埃尔的法国人，也许是受阿基米德的启发，也设计了一门“光炮”。它由168面镜子组成，每面镜子长15厘米，宽20厘米。这168面镜子的总面积约为50000平方厘米，相当于一面半径为0.9米的半球面镜子的面积。

这种光镜聚集的太阳光可以让47米外的松木板在几分钟内燃烧起来。但是，如果松木板再移动一点，镜子的数量就会大大增加。如果你想在半分钟内烧掉1 km以外的松木板，那么反射器的半径就得增大到1 km左右。这么大的镜子，别说在当时的技术条件下造不出来，就算是在科技高度发达的今天，也是一件难事。即使做了这么大的镜子，也不能用在战场上，因为一颗子弹就能把它砸碎。想象一下阿基米德需要设计多大的镜子才能烧掉一艘敌舰。阿基米德的悲哀是，人类只能按照自己的启示把镜子越做越大。

在人类社会的发展中，人们一直与光保持着非常密切的关系。除了充分利用自然光源，人类还发明创造了许多人造光源，从古代的燃木、油灯、蜡烛到今天的各种电灯。但这些都是普通的灯，重要用途是照明，很难发挥更大的作用。过去由于战争频繁，人们长期幻想用光作为武器，并为此付出巨大努力。

幻想，终究是幻想。无论你怎么努力，都不可能用阳光作为杀敌的武器。激光更是不可想象。

当历史发展到1916时，著名的大物理学家爱因斯坦提出了受激光辐射理论，为激光的发明奠定了理论基础。但由于当时科技的限制，激光并没有被发明出来。

后来随着无线电技术的发展，人们开发了新的波段，特别是为了获得高质量的电磁定向波束。但工程上要求发射无线电波的天线不能太大(因为波长越长，天线尺寸越大)，只能向短波方向发展。微波波长是无线电波中最短的，所以发展很快。1954年，美国物理学家汤斯等人成功研制出第一台波长为1.25 cm的氨分子气体微波量子放大器母版，翻译过来就是“微波激射器”。1957年，固态微波量子放大器问世。由于具有极低噪声和高灵敏度的优点，这类器件在远程微波雷达、人造卫星、射电天文、通信、遥测和遥控等现代科学技术中具有巨大的应用潜力。因此在理论和技术上发展非常迅速，很快从实验室进入实用阶段。因为激光器实际上是光波段的量子放大器，微波量子放大器的发明和发展为激光器的问世奠定了坚实的物质基础。

物质基础和理论基础已经具备。只要有人把它们结合起来，就可能被发明出来，但事情没那么简单。

1958年，汤斯和前苏联学者巴索夫等人提出了将微波量子放大技术扩展到光波波段的理论。时隔两年，1960年7月，美国学者梅曼在实验室成功测试出第一台固体红宝石光量子放大器。当时他用刚玉中掺有铬离子的晶体(即红宝石晶体)作为工作物质。麦曼在选择这种材料时也犹豫过。当时有一篇论文指出，不能指望红宝石晶体作为激光器的工作物质，因为根据它的能级结构和特性，需要的泵浦强度极高，技术上不容易实现。其他论文指出红宝石的发光量子效率较低，只有1%左右。因此，麦曼也考虑过用碱金属蒸气作为工质，但经过分析比较，发现用这种蒸气作为工质比较困难。麦曼在研制脉塞时使用了红宝石晶体，对其光学特性有所了解，于是决定先试用红宝石晶体，了解对工作材料的具体要求，然后与材料科学家合作研制新的工作材料。

他重新测量了红宝石晶体的量子效率，发现并不是文献中的1%，而是高达75%(在后来的实验中达到了100%)。他还分析了使红宝石晶体实现能级粒子反转的条件，发现只要有一个相当于5000K的黑体辐射源，氙灯的色温可以达到8,000，就可以实现能级粒子反转，因此，技术上是可以做到的。经过这些分析，梅曼坚定地选择红宝石晶体作为他的放大器的工作材料。这个放大器使用的泵浦源，脉冲氙灯，是螺旋形的，红宝石棒的直径是1cm，长2cm，刚好和螺旋形氙灯两端的镀银膜吻合，形成谐振腔。就这样，第一台激光器制造出来了。麦曼打开电源，打开开关，一道耀眼的神奇红光就出来了。麦曼成功了，他做出了世界上第一个光量子放大器。其实光量子放大器就是一个激光器。这种神奇的光叫做“激光”，意思是受激发射的光学放大。它的简称是“激光”，台湾省学界翻译为“激光”。“激光”和“小二”是中国流行的名字。

一年后，中国的科学家也制造出了激光器。当时正值中国三年自然灾害时期，人民生活异常艰难。中国科学家发扬艰苦奋斗的精神，在没有设备的情况下，用爱国的热血和聪明才智，做出了中国第一台激光器。由中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。当时用的材料也是红宝石水晶，直径0.5厘米，长3厘米。使用的泵浦源是直脉冲氙灯，而不是螺旋氙灯。设计者认为直氙灯的泵浦效率可以与螺旋氙灯相同，但制造工艺更简单。

第一台激光器一出现，立即引起了世界各国科学家的极大关注，许多不同类型的激光器相继被发明出来。He-Ne气体激光器出现在1961年，镓砷半导体激光器出现在1962年，液体激光器出现在1963年，化学激光器出现在1965年。此后，各种激光器如雨后春笋般出现。目前能产生激光的工作物质有上千种。激光的波长范围不断扩大，长波方向扩展到远红外，与无线电波的毫米波相连，短波方向扩展到紫外到X射线。由于激光具有许多优良的特性，各个科学技术领域都以激光为有力手段，形成了一门新兴的交叉学科和应用技术，出现了激光加工、激光探测、激光通信、激光医学、激光化学、激光全息术和应用激光技术，使激光技术成为现代高科技领域的一支重要生力军。

激光器基本上由三部分组成:第一部分是用来产生受激发射的工作物质。工作物质可以是固体，例如晶体和玻璃，或者是气体，例如惰性气体和二氧化碳，或者是液体。第二部分称为能量激发装置(又称泵浦源)，以一定的方式向工质输入能量，使工质处于粒子数反转状态。第三部分称为光学谐振腔，由两块光学反射镜按一定方式组合而成。工作物质放在两个镜子之间。谐振腔的作用是使工质发出的激光在两个反射镜之间来回多次，从而在腔内形成连续振荡。能量激发装置将能量传递给工作物质，使工作物质处于粒子数反转状态，从而产生光的受激发射。开始时，这种受激发射的强度很弱。由于光学谐振腔的存在，某一方向的激光在两个反射镜之间往返多次，多次穿过工质，激发一些工质发出激光，即经历了一次受激发射引起的光放大。在来回足够多次使光的放大程度等于或大于腔内的各种损耗后，腔内就可以建立稳定连续的相干光振荡，一部分振荡光通过具有一定透过率的反射镜输出到腔外，形成我们需要的激光，这是激光产生的基本过程。由于光激发源的工作物质、工作方式和工作波长的不同，激光器可以分为很多种。常见的有固体激光器、气体激光器、半导体激光器、化学激光器、自由电子激光器等。，此外还有染料激光器、液体激光器、准分子激光器、X射线激光器和其他激光器。目前，这些激光器已经形成了一个庞大的家族。激光因其神奇的特性，在许多领域有着广泛的应用价值，成为名副其实的多面手。