登陆注册
200000000069

第69章 神奇之光

第六十七章神奇之光

激光的发明

千百年来,人们希望改造普通光。1960年7月,世界上第一台固体红宝石光量子放大器诞生

,激光由此发明并得以广泛应用。

能级跃迁强光会聚

1916年,大物理学家爱因斯坦提出了光受激辐射的理论,认为处在高能级的原子会向低能级

迁,同时放出一个光子。这个光子就会激发它邻近的另一个相同能级的原子发光,发出的光

子又会引起别的原子辐射,这样在一个极短的时间里,就会激发出非常多的光子。在一刹那

间把光放大千百亿倍。

1951年,美国的物理学家汤恩斯在美国华盛顿召开的物理学会议上,提出了利用受激辐

射放大微波的构想,从而为激光器的发明奠定了理论基础。与此同时,前苏联物理学家巴

索夫和普罗霍洛夫也在进行同样的工作。

1954年,汤恩斯等人为获得相干辐射,发明了第一架波长为125厘米的氨分子气体微波量

子放大器Master,它的译音为“脉泽”。

1957年,固体微波量子放大器问世。这类器件具有低噪音、高灵敏度的优点,在远

程微波雷达、人造卫星、射电天文学、通信、遥测和遥控等现代科学技术中应用潜力极大。

因此,它们在理论和技术上发展神速,很快便从实验室步入实用。

微波量子放大器的发明和发展,为激光的问世奠定了坚实的物质基础。因为激光器实质上就

是一台光波段的量子放大器。

1958年,美国科学家肖洛和汤斯发现了一种颇为奇怪的现象:当他们将闪光灯泡所发射的光

照射到一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现

象,他们提出了“激光原理”:物质在受到与其分子固有振荡频率相同的“能量”激励时,

都会产生这种不发散的光——激光。可以说,“激光原理”的提出是光学史上的一个里程碑

。正是在它的基础上,人们才制成了真正的激光器。

宝石受激神光诞生

1958年,汤恩斯、巴索夫和普罗霍洛夫几乎同时提出了把受激辐射放大推

进到光频的设想,建立了把微波量子放大技术扩展到光波段的理论。他们因此共同获得了

1964年的诺贝尔物理学奖。

此后,受激辐射振荡器从微波逐渐扩展到光波段。

1960年7月,世界上第一台固体红宝石光量子放大器被美国科学家梅曼在实验室试验成功。

时,他用刚王中掺入铬离子(即红宝石晶体)的晶体作工作物质。梅曼选用这种材料时也曾犹

豫过,当时,有人指出,不能指望用红宝石晶体作为激光的工作物质,原因是按红宝石晶的

能级结

构和特性,需要的泵浦强度极高,技术上不容易达到。还有人认为,红宝石的发光量子效

率低,只有1%左右。于是,梅曼也曾考虑采用碱金属蒸气作工作物质,但分析对比后,发现

利用这

种蒸气作工作物质遇到的难度更大,而梅曼在研制微波激射器时曾用过红宝石晶体,对它的

光学特性多少有些了解,所以,他决定先采用红宝石晶体作试验,从中了解有关对工作物质

的具体要求,再和材料科学家合作,研制新的工作物质。

梅曼通过重新测量红宝石晶的量子效率发现,其不是他人文章中提到的1%,而是高达

75%(后来实验中还达到了100%),他又分析了使红宝石晶体达到能级粒子反转的条件,发现

只要有等价于5000K黑体辐射光源泵浦就能使能级粒子反转,而氙灯的色温可以达至8000K。

所以,在技术上当时是完全可以做到。经过这些分析,梅曼坚定地选用了红宝石晶体作他的

放大

器工作物质。这台放大器所以用的泵浦源——脉冲氙灯是螺旋形,红宝石棒直径1厘米,长2

厘米,它刚好可以套入螺旋氙灯在红宝石两端的镀银膜,构成谐振腔。

梅曼接通电源,打开开关,一束耀眼的神奇红光射了出来,它的亮度竟不可思议地是太阳表

亮度的4倍。梅曼成功了,他制造出了世界上第一台光量子放大器。光量子放大器其实就是

激光放大器,这种神奇之光被称为“激光”或“镭射”。

光量子放大器制出后,激光器一跃成为世界上最令人注目的新发明。

在梅曼进行此项研究之后不久,美国贝尔研究所的格林治研制成功了红宝石激光

器。此外,威斯汀豪斯公司和雷森公司的研究所也都相继开展了激光器的研究。

开始时,红宝石激光器发出的光有短时间的间歇,贝尔研究所的保尔和内尔森二人将红宝石

放到液氮中冷却(-196℃),用水银灯照射,使红宝石能保持无间歇地长时间地发光。

这些成功使激光器向实用化阶段迈出一大步。但是,仍存在不少问题。

如果用很大的红宝石,长时间发射激光,就会产生很大的热量,温度的上升将引起激光器的

破裂;

若使用小的红宝石,所产生的激光又很弱。然而,经研究发现电磁波是能够放大的,激光也

应该能放大。因此,激光的实用化应该是不成问题的。

1961年,美国贝尔研究所的佳班将氦气和氖气混合在一起,用光加以照射,由于氦和氖分子

的振动产生了一种特殊的红外线。这种装置称为氦氖气体激光器。这也是世界上第一台氦气

激光器。

氦氖气体激光器和以前巴利安公司研制的氨气体激光器不同,它所发出的激光不含杂波,是

极纯正的单色光。

此外还有利用铯和铷等蒸气制造的气体激光器陆续问世。激光器的新研究成果不断涌现。

概括地说,形成激光要经历下述过程:首先通过激励能源(如氙灯)的作用使工作物质(

如红宝石棒)实现粒子数反转分布(粒子数反转分布是相对于原子正常分布而言的)。在这种

状态下,在工作物质中偶然产生的自发辐射的光子进行受激放大,从而得到大量特征完全相

同的光子。再通过谐振腔的作用,使受激辐射维持下去,大大加强了受激放大的效果,使之

持续发射大量特征相同的光子,这就形成了激光。显然,激光是受激幅射和谐振腔共同作用

的结果,激光即是“受激辐射光放大器”。

从激光形成的过程可以看出,从发光的内部机制看,普通光源的发光是自发辐射

,激光是受激辐射。物质的发光是亿亿个原子的跃迁(即原子在高能级和低能级之间的跳动)

在自发辐射中每个原子的跃迁是自发的,个体化的,互不关连的,无秩序的,不可控制的,

所发出的光也是杂乱无章的。然而,在受激辐射中受激辐射所发出的光与激发它的外来光性

质完全相同,即各发光原子之间是步调一致的,是互相关联的、有规律的、集体化的发光行

为,

所发出光子是单一的,可控制的。由此可见,激光器是一种新颖的光源,

它具有普通光源所不具备的特点。

首先,普通光是多种光的混合,而激光则只包含一种光色,因而是颜色最纯的光。其次,普

通光都是散射的,为了增加亮度,就要用光罩把散射的光反射回来。假如有一架聚光性能最

美的探照灯,用它来照射月球,那么光束的直径也会扩散到几千公里以上。而激光具有集束

的性能,它集中在沿轴线方向的一个极小的张角内。如果把一束激光射到月球上,光束直径

有2公里。正因为这个缘故,激光的亮度可以高出同功率的普通光几亿倍,甚至比太阳光还

要亮得多。如果把它汇聚起来,在不到千分之一秒内,就能产生几千万度的高温,熔点再高

的金属,遇到激光也只有化作一缕青烟了。

可见,激光是目前世界上最亮的光源,而且颜色最纯,射得最远,汇聚得最小,光束最

准直,相干性最好。这种新型光源开辟了经典光学前所未有的应用前景。

激光器就其类型而言,除了以上介绍的红宝石激光器外,还有其他类型的激光器。1961年美

国IBM公司研制成氟化钙激光器,1962年,美国通用电气公司和IBM公司又分别研制成了固体

激光器。在近30多年的时间里,不同类型的激光器应不同需要应运而生。按照工作物质的不

同可分为:气体激光器、液体激光器、半导体激光器和固体激光器等。按激光器工作方式的

不同分为4类:脉冲的、连续的、Q突变的、超短脉冲的。

不仅如此,新型激光器正在不断涌现

,如波导激光器、准分子激光器、无机液体激光器,都各有特色。器件的研究朝着实用化、

小型化、多波长、可调谐、大功率、窄脉宽、锁模、高效率等方向发展。

同类推荐
  • 安全健康教育综合读本1·上册

    安全健康教育综合读本1·上册

    2008年5月12日,那场突如其来的大地震夺去了许许多多含苞待放的小生命,灾难固然难于避免,但如果懂得更多的安全避险知识,预防救助措施得当,就有可能把损失降到最低。
  • 人体悬案之谜

    人体悬案之谜

    千百年来,人类在漫长的文明发展历程中,最为关注的一个领域就是挖掘人类自身的奥妙,探索人体未知的领域,在进入二十一世纪的今天,这一研究又走到了新的顶峰,掀起一浪高过一浪的科学热潮。本书根据现代科学的最新发展,以人类自身为中心,全方位多角度地向大家展示,发生在人类身上和我们生活中的种种神秘现象,比如人体自燃、特异功能、时空隧道等等。爱吃钉子和煤块的人,可以用眼睛做透视的人,有蓝色血液的人,以及能够预示未来的神秘梦境等等。令大家产生无穷的回味和思索。
  • 西班牙大冒险(环游世界大探险)

    西班牙大冒险(环游世界大探险)

    卡西欧博士为了实现其征服世界的计划,便准备去寻找一个有魔力的宝瓶,但是宝瓶开启的咒语是在一副毕加索的画中,而如果想知道那幅画真正的意图,就必须找到上一个宝瓶持有者的后代——一个吉普塞人。田健三郎带着老鼠眼和大胡子再一次上路了。而得到消息的米娜、卡奇和莱恩为了阻止博士的阴谋,也不得不开始了西班牙的冒险之旅……
  • 优秀小学生爱读的益智故事

    优秀小学生爱读的益智故事

    一本书无法改变整个世界,但可能会塑造孩子的一生。希腊谚语说:“从智慧的土壤中生出三片绿芽:好的思想,好的语言,好的行动。”雨果也告诫我们:“人的智慧掌握着三把钥匙:一把开启数字,一把开启字母,一把开启音符。知识、思想、幻想就在其中。”和丰富的知识相比,机智显得更重要。编辑精心选取能帮助孩子开发智力的小故事,汇成了这本可以边读边思考的故事书。书中有趣的益智故事,就像夜晚在空中眨着眼睛的星星,它带给孩子的,除了智慧,还有无尽的快乐。
  • 近战勇士:冲锋枪

    近战勇士:冲锋枪

    一般来说,冲锋枪是指双手握持发射手枪弹的单兵连发机械。它是一种介于手枪和机枪之间的武器,比步枪短小轻便,便于突然开火,射速高,火力猛,适用于近战和冲锋,在200米内具有良好的杀伤效力。
热门推荐
  • 废柴毒医邪妃

    废柴毒医邪妃

    慕容风,华夏古武世家的医武天才,十七处佣兵军团成员,再睁眼,她成了人人唾弃的废物小姐。世人皆知她草包又痴傻,却不知她是扮猪吃老虎。制毒!行医!炼药!骗兽!修炼!她样样精通,霸气至极。人前他是废物傻殿下,人后他是傲娇毒舌黑心肝。他说,女人,要是这个世界不容你,我不介意和你一起灭掉它!
  • 东宫有本难念的经

    东宫有本难念的经

    宝庆十九年春,大佑国皇太子大婚,大将军之女入主东宫。一个不是淑女的将门千金遭遇一个不是文韬武略的中庸太子,到底是佳偶天成,还是冤家路窄?成婚一年不足,太子忽然休妻。迷影重重,生死茫茫,这样一来,还是不是大团圆结局?
  • 南方风味小吃

    南方风味小吃

    《家庭美食坊丛书》根据四季的特点、不同的家常菜式、南北方的不同饮食习惯,精选了一千多道家常菜。食物搭配具有较强的针对性,富含营养,又有保健功效,让你吃得美味,吃出健康。《家庭美食坊丛书》内容丰富,实用性强,通俗易懂,还有相关的营养知识,是家庭食物调养的有益参考书。
  • 武乱大周

    武乱大周

    大周千载,盛极而衰,兴帝逆天而行,国兴族弱,五代单传寿不过三十,杨信登基,天机莫测,八载而定四方,弱冠之年远走天涯,国势复衰,天灾人祸,烽烟四起。杨信回朝欲以一己之力再逆天行,兴衰成败熟可知。以武乱周,成败由人。
  • 平行空间

    平行空间

    穆昱宇先生白手起家,创下所谓的成功神话,但他内心却倍感疲惫,对周围的一切缺乏兴趣。有天他偶遇少年时代向自己告白,却遭自己唾弃厌恶的女孩倪春燕,从那之后他莫名开始频繁做梦,梦里他到了另一个空间,有着与现实中截然不同的身份,过着他想象不到的幸福生活。
  • 我们三个都是穿越来的

    我们三个都是穿越来的

    我是因为看了很多的穿越小说,也很想穿越。谁想我想想就能穿越,穿越就穿越吧,居然穿成怀孕九月的待产产妇,开玩笑嘛!人家在二十一世纪还是黄花一枚呢。这也可以接受,可是明明是丞相之女,堂堂四皇子的正牌王妃怎么会居住在这么一个几十平米得破落小院子里,她怎么混的,亏她还一身绝世武功,再是医毒双绝。哎。没关系,既然让我继承了这么多优越条件,一个王爷算得了什么?生下一对龙凤胎,居然都是穿过来的,神啊,你对我太好了吧?且看我们母子三人在古代风生水起笑料百出的古代生活吧。片段一在我走出大门时,突然转身对着轩辕心安说道:“王爷,若是哪天不幸你爱上了我,我定会让你生不如死的。”然后魅惑地一笑,潇洒地走了出去。片段二当我对着铜镜里的美人自恋地哼出不着调地歌时。“别哼了,难听死了。”一个清脆的声音响起。~~~接着一声尖叫紧跟着另一声尖叫。我用上轻功躲进了被子里.~~~"我和你一样是二十一世纪来的。”“你好,娘亲,哥哥,以后要多多指教。”来自两个婴儿的嘴里,我摸摸额头,没高烧啊。片段三“小鱼儿,我可是你孩子的爹,况且我没有写休书,你还是我的王妃。我会对你好的。”安王爷霸道地说道。“你们认识他吗?他说是你们的爹?”我问着脚边的两个孩子。“不认识,”女孩说道。“我们的爹不是埋在土里了吗?怎么他一点也不脏?”男孩问道。那个男人满头黑线。“对不起,我们不认识你。”说完拉着孩子转身就走。片段四“爹爹,这是我娘,你看漂亮吧?”南宫心乐拉着一个白衣帅哥进来问道。我无语中。“爹爹,你看我娘亲厉害吧?“南宫心馨拉着另外一个妖精似地男人走了进来。我想晕。“这才是我们的爹。”“才不是呢,这个才是”两人开始吵起来了。“我才是你们的爹。”安王爷气急地吼道。“滚一边去。”两个小孩同时说道。屋里顿时混乱之中。转头,回屋睡觉去了。推荐完结文《别哭黛玉》完结文《穿越之无泪潇湘》新文,《极品花痴》
  • 听见你的心声

    听见你的心声

    【风尚阁】告诉你,阅读是一件美丽的事。http://m.pgsk.com/fengshang/**************************************************************************他是红得发紫的影视歌三栖大明星,万人眼里的国民弟弟……他每交一个女友,她都会有特殊的心灵感应。正因为如此,她是第一个拒绝和他交往的女孩……他们是多年的老友,他是她的男闺蜜,她是他的好哥们,彼此用不同的方式默默关心着对方……不是每个花花公子都花心,他的职业是演戏,但在她面前他还是想做最真实的他……他不解,一副气恼无语的样子:“于乐乐,我到底哪里不配你,为何一再二三地拒绝我?”她淡淡一笑:“方思杰,因为我不想失去我们多年的感情,让自己变成一只母老虎。”早知这样就不该让你来到身边,原以为梦见和感应到喜欢的人是一件非常幸福快乐的事,却没想到因为特殊的心灵感应转变为浓浓的忧伤,为此付出难以承受的代价……
  • 袁腾飞讲先秦·战国纵横

    袁腾飞讲先秦·战国纵横

    本书讲述了战国七雄,各国兵争舌战,风云际会,政客过招。奇招、绝招、阴招、险招令人眼花缭乱,大战、小仗、明争、暗夺令人目不暇接……直到秦始皇一统天下,中国又走向了一个全新的历史段。袁腾飞以其独到的“史话体”,为我们轻松解读华夏文明的起源、发展脉络和历史走向。
  • 突发事件防范与自救

    突发事件防范与自救

    本书以简单扼要的科学道理,实用的知识和方法,通俗易懂的语言、系统地介绍了自然灾害、突发事件等危情事件的预防与自救。本书有助于提高广大青少年的自我保护意识,增强其自我保护能力。当面临各种险情、险境时,能够运用知识、技巧,智慧沉着冷静地应急,机智安全地化解危机。
  • 我的爱与你无关

    我的爱与你无关

    年轻的辽大心理学女老师沈沉渔,一次在酒吧中,她兴起给同住的小女生雷丝表演勾男术,却不料招惹的男生是辽大新入学的研究生谢超。开学后,沉渔最不想遇见谢超,却偏偏狭路相逢。雷丝的老师温明轩传说为情跳楼自杀,这个举动一下子俘虏了沉渔的心,使她对温明轩未见便已钟情。