激光的產生及其特點

激光的本意是通過受激發射而實現光波放大。

受激發射的理論是愛因斯坦在1917年提出的。該理論認為:假設微觀粒子(原子、分子或離子)有兩個分立能級,高能級能量為E2,低能級能量為E1,能量上相應的粒子密度數為N2和N1。存在著三種不同類型的能級跳遷:(1)高能級上的粒子自發跳遷到低能級,同時放出E2-E1=hυ的光子,這是自發發射。(2)如果處於E1上的粒子與頻率為υ=(E2-E1)/h的電磁波相互作用,粒子可吸收入射電磁波而跳遷到高能級E2上,這是受激吸收。(3)如果處於高能級E2上的粒子與頻率為υ的電磁波相互作用,粒子將從高能級E2跳遷到低能級E1上,同時發射一個頻率為υ的光子,這是受激發射。受激發射的光子與入射電磁波具有相同的頻率、位相、偏振和傳播方向,它們是相幹的。愛因斯坦進一步指出,在電磁場作用下,粒子係統中的受激吸收和受激發射過程同時存在,並且在兩個能級之間的跳遷幾率是相等的。但依據玻爾茲曼分布規律,在熱平衡條件下,處於低能級上的粒子數N1總是大於處於高能級上的粒子數N2,所以受激吸收總是大於受激發射,通常隻能觀察到受激吸收而觀察不到受激發射。顯然,根據愛因斯坦的理論可以設想,在有外界電磁場作用下,如果用某種激勵方式使一個粒子係統中處於高能級E2上的粒子數N2大於處於低能級E1上的粒子數N1,即實現粒子數反轉,便可以使受激發射占優勢。這樣就會出現與係統在正常的受激吸收占優勢情況下靠自發發射發出普通光完全不同的情況。這時,如果有一個光子引發,高能級E2上的原子(或分子和離子)便會受激發射出一個與之相同的光子。如果加上一個諧振腔,就會靠反饋作用形成光振蕩,這兩個光子又會引發其他高能級E2上的原子受激發射,形成雪崩式的受激發射,從而產生大量頻率和運動方向相同的光子,實現光放大,從而發射出激光來。

激光也是光,它與普通光沒有本質上的區別。但激光又是一種特殊的光,與普通光相比具有方向性好、單色性強、高亮度和優異的相幹性等四大特點。激光的各種應用也正是基於上述特點,在這些方麵,目前還找不到第二種光源可與激光媲美。

第一台激光器的誕生

世界上第一台激光器是1960年由美國休斯研究實驗室的T·梅曼研製的。

梅曼在製作過程中遇到的第一個問題便是用什麼材料的問題。

當時有論文指出,不能指望用剛玉中摻入鉻離子的紅寶石晶體作激光器的工作物質。理由是,按它的能級結構和特性,需要的泵輔強度太高,技術上不容易達到。也有人說,紅寶石的發光量子效率很低,不易製作激光。種種說法,使本來想采用紅寶石作工作物質的梅曼猶豫了。

梅曼又考慮采用堿金屬蒸氣作工作物質,但分析對比後發現用這種材料將會遇到更大的困難。他再一次投入到對紅寶石晶體的研究中。艱苦的研究探索之後,他決定用紅寶石晶體試一試。

梅曼成功了。世界上第一台激光器產生了。

這台激光器所用的泵輔源——脈衝氙燈是螺旋形,紅寶石石棒直徑1厘米,長2厘米,它剛好可以套入螺旋氙燈。在紅寶石兩端鍍銀膜,構成諧振腔。輸出的光波長是694.3納米(紅色)。國外科學家把這台特殊的光源稱作是Laser。

那麼,我國是怎樣把Laser稱作激光的呢?

1961年,我國第一台激光器問世,但直到1964年還沒有一個統一的稱呼,有稱“受激輻射放大器”的,有稱“光激射器”的,還有稱“光量子放大器”及“萊塞”等等。

1964年12月,在上海市召開了全國第三次受激光輻射討論會。會議前夕,《光受激發射情報》編輯部給著名科學家錢學森教授寫了一封信,請他給“Laser”取一個統一的名稱。