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用讲故事的方式告诉你关于激光的“前世今生”系列一激光的产生
关闭】【 浏览: 】【 时间:2019-03-09 09:24】
这是一个关于激光产业的故事,在了解之前,我们先说点基础的科学常识,及激光的诞生以及发展史!
 
激光是20世纪的重大科技发明之一,英文名“Laser”,1964年钱学森建议中文名为“激光”。激光的科学原理“受激辐射”是爱因斯坦1917年提出的,其实挺简单的,高中物理知识就能理解。

                                                               
 
爱因斯坦指出,处于高能级E2的粒子,当频率为 V=(E2-E1)/h的光子入射时(h是普朗克常数),粒子会以一定概率,迅速地从能级E2跃迁到能级E1,同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子,这叫受激辐射。
 
看出厉害了不?一个光子变出另一个完全一样的了,这两光子接下去会干啥?没错,这两个又去找别的粒子开火,变成四个了。这个过程就象核爆炸链式反应,光子数量迅速增加,相当于原来的光信号被放大了。“Laser”其实是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写。
 
这是爱因斯坦提出的又一个诺贝尔奖级别的理论成果,但是直到他去世5年以后的1960年,激光器才做出来。为啥要这么长时间?因为爱因斯坦论文中同时提出的“受激吸收”。光子可能碰上E1能级的粒子,把它变成E2能级,自己消失了,所谓的链式反应也就没了。
 
一般材料都是受激吸收的粒子多于受激辐射的粒子(低能级E1的多于高能级E2的),所以光通过强度不会放大反而会降低。要产生激光,关键条件是“粒子数反转”,高能级粒子多于低能级粒子。但这个其实也没那么难,回头看1930年代物理学家们就有能力做出来。
 
1960年美国做出激光器后一年,中国马上就由王大珩院士领头在1961年做出了中国第一台激光器(王老2011年去世,刚被选为改革先锋100人之一)。只是1930年代科学家对光学理论与技术不够融汇贯通,没想到去做,别的重大发现很多。这让激光的发明过程多少有一些曲折离奇,是“Maser”(微波放大器)先搞出来,才做出了“Laser”。
 
美国哥伦比亚大学的物理学家查尔斯·汤斯二战时搞过雷达,战后美国海军想搞出强大光束,汤斯接了任务。1954年,汤斯终于把Maser做出来了,虽然放大的是微波,但是这为Laser的发明作好了准备。1958年,汤斯又和同事兼姐夫的阿瑟·肖洛发现,将氖光灯泡发射的光照在一种稀土晶体上,晶体会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。
 
1960年,美国休斯实验室的梅曼制成了世界上第一台激光器,用高强闪光灯管来激发红宝石。这里的关键是要有一个“光学谐振腔”,光通过晶体一次放大的倍数并不太高,但是如果两头贴上反射镜,不断来回放大,那就厉害了。一片反射镜再少镀点银漏出一部分光,出来就是人们熟悉的单向性极好的激光了。肖洛的贡献是,把这个光学研究者已经熟悉的手法,引入到激光领域了。汤斯获得了1964年诺贝尔物理学奖,肖洛是1981年获得诺贝尔物理学奖的,可能是1964年名额不够了。
 
1964年因为激光和汤斯同时获得诺奖的是两位苏联物理学家,尼古拉·巴索夫和亚历山大·普罗霍罗夫。那年头苏联物理学家也非常厉害,巴索夫提出的半导体激光器发展出了后来的神器:光纤激光器。
 
巴索夫、普罗霍罗夫和汤斯的团队一样,1955年也搞出了一个“Maser”,氨分子束微波激发器,然后自然会想到激光。巴索夫的贡献是,他1958年公开发表论文提出了用半导体制造激光器的想法(在半导体里实现“粒子数反转”的理论描述),1961年又发表了“载流子注入”PN结的文章,并在1963年造出了PN结半导体激光器(美国人按他提出的原理先造出来)。
 
半导体激光器不如出现在教科书上的红宝石激光器名气大,但是专家们显然清楚半导体激光器的理论意义,潜力要更大,所以三人并列的诺奖给了两个苏联的一个美国的。
 
半导体激光器的优点非常多:电子直接变成光子,电光转换效率高达50%以上,比其它类型的激光器高多了;使用寿命长达10万小时以上,比其它类型长很多;半导体还能调制输出,别的类型办不到;体积小、重量轻、性价比高,半导体比红宝石之类的材料要便宜。
 
其实要理解半导体激光器的优点并不难,虽然一般人可能没留意,但是LED(发光二极管)灯是人人都见过的。LED发光的原理就是载流子在PN结里复合时,将多余能量用光的形势放出来,电流直接变成光,而不是象白炽灯泡那样要把灯丝烧热。所以LED灯相对传统灯泡有一堆优点,色彩多、光强可调制、寿命长、成本低之类的,就和上面说的半导体激光器的优点差不多。半导体激光,可以理解成在LED发光的原理上,再加上光学谐振腔的放大效应,而且这个谐振腔也不必新建,在半导体内部就有了。
 
激光是罕见的一发明出来立刻就能实用的技术,1961年就用来动手术了。因为激光的特性实在太突出了,所有光子的一致性特别好,对着一个方向,能量作用于一点,可以比太阳耀眼上百万倍。拿功率大点的激光对准什么东西,切割搞加工都可以。切割、焊接、测量、打标各种用途很多,在通信、工业加工、医疗、美容等无数个行业应用,不断替换传统工艺。
 
(未完待续...........)下一篇:光纤激光器的发展之路

 

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