激光簡(jiǎn)史及應(yīng)用

1、及應(yīng)學(xué)號(hào) 20 1 3 2 1 0006用姓名楊策目錄一一一激光發(fā)展簡(jiǎn)史1.1愛(ài)因斯坦提出受激輻射概念1.2負(fù)色散的研究1.3微波激射器的發(fā)明1.4激光的設(shè)想二激光的應(yīng)用摘要：按照激光探頭是否與激光作用的物質(zhì)接觸， 分為接觸式和非接 觸式兩種工作模式。激光應(yīng)用的領(lǐng)域，主要有工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)、科 研、信息和軍事六個(gè)領(lǐng)域。關(guān)鍵字：激光、受激輻射、負(fù)色散、微波激射器、電磁波輻射一、激光發(fā)展簡(jiǎn)史激光是20世紀(jì)中葉以后近二三十年內(nèi)發(fā)展起來(lái)的一門新興科學(xué)技術(shù)。它是現(xiàn)代物理學(xué)的一項(xiàng)重大成果，是 20世紀(jì)量子理論、 無(wú)線電電子學(xué)、微波波譜學(xué)以及固體物理學(xué)的綜合產(chǎn)物，也是科 學(xué)與技術(shù)、理論與實(shí)踐緊密結(jié)合產(chǎn)生的燦

2、爛成果。激光科學(xué)從它 的孕育到初創(chuàng)和發(fā)展，凝聚了眾多科學(xué)家的創(chuàng)造智慧。他們的探 索精神，值得我們認(rèn)真學(xué)習(xí)和總結(jié)。§ 1.1愛(ài)因斯坦提出受激輻射概念激光的理論基礎(chǔ)早在1916年就已經(jīng)由愛(ài)因斯坦奠定了。他以 深刻的洞察力首先提出了受激輻射的概念。所謂受激輻射的概念 是這樣的：處于高能級(jí)的原子，受外來(lái)光子的作用，當(dāng)外來(lái)光子 的頻率正好與它的躍遷頻率一致時(shí)，它就會(huì)從高能級(jí)跳到低能級(jí)， 并發(fā)出與外來(lái)光子完全相同的另一光子。新發(fā)出的光子不僅頻率 與外來(lái)光子一樣，而且發(fā)射方向、偏振態(tài)、位相和速率也都一樣。 于是，一個(gè)光子變成了兩個(gè)光子。如果條件合適，光就可以象雪 崩一樣得到放大和加強(qiáng)。特別值得注意

3、的是，這樣放大的光是一 般自然條件下得不到的“相干光”。愛(ài)因斯坦是在論述普朗克黑體輻射公式的推導(dǎo)中提出受激輻 射概念的。這篇論文題為輻射的量子理論，發(fā)表在德文物理 學(xué)年鑒上。愛(ài)因斯坦在玻爾能級(jí)理論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了光 量子理論，他不但論述了輻射的兩種形式：自發(fā)輻射和受激輻射， 而且也討論了光子與分子之間的兩種相互作用：能量交換和動(dòng)量 交換，為后來(lái)發(fā)現(xiàn)的康普頓效應(yīng)奠定了理論基礎(chǔ)。不過(guò)愛(ài)因斯坦并沒(méi)有想到利用受激輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)光的放大。因 為根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布，平衡態(tài)中低能級(jí)的粒子數(shù)總比高能級(jí) 多，靠受激輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)光的放大實(shí)際上是不可能的。因此在愛(ài)因斯坦提出受激輻射理論的許多年內(nèi)，這個(gè)理論并 沒(méi)有太

4、多運(yùn)用，僅僅局限于理論上討論光的散射、折射、色散和 吸收等過(guò)程。直到1933年，在研究反常色散問(wèn)題時(shí)才觸及到光的放大§ 1.2負(fù)色散的研究色散理論早在1900年就由特魯?shù)拢≒Drude ）建立，能夠解釋 一部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但它是建立在經(jīng)典電磁理論上的，與玻爾的穩(wěn) 態(tài)原子模型有矛盾，所以在一、二十年代里陸續(xù)有一些學(xué)者致力 于用量子理論說(shuō)明色散現(xiàn)象，其中包括德拜和索末菲。到了1928年，德國(guó)光譜學(xué)家拉登堡（R.W丄adenburg ）得到了一個(gè)折射率n 隨波長(zhǎng)入變化的量子理論公式：F=N1f 21 1-N2/N1?g1/g2其中e和m表示電子的電荷與質(zhì)量，N2與N1分別是高能級(jí)2 與低能級(jí)

5、1的原子數(shù)，g1與g2表示相應(yīng)能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重，入21是2-1躍遷的輻射波長(zhǎng)，f21是一系數(shù)。式中 1- N2/N1g1/g2 稱為負(fù)色散項(xiàng)，表示由于高能級(jí)2有一定的原子數(shù)而作的修正，F(xiàn) 叫做色散系數(shù)。拉登堡和他的合作者在1926 1930年做了一系列實(shí)驗(yàn)，研究 氖的色散，觀測(cè)色散隨放電電流密度變化的情況。他們利用賈民（Jamin）干涉儀。光經(jīng)過(guò)玻璃板P1分成兩束，一束經(jīng)受激介質(zhì)， 另一束經(jīng)正常介質(zhì)，再會(huì)合于 P2后用光譜儀觀測(cè)。他們?cè)谀实淖V 線6334?、6383?及6402?附近觀察到了鉤形的干涉圖形。 根據(jù)儀 器的結(jié)構(gòu)、相鄰干涉條紋的間隙和干涉條紋的彎曲程度可以求得 色散系數(shù)。最引人注目的

6、是色散系數(shù)隨放電電流密度變化的關(guān)系。拉登堡用的放電管長(zhǎng) 50和80厘米，直徑8 10毫米。放電電流在 0.1 700毫安之間變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，放電電流在100毫安以下時(shí)，色散系數(shù) F 一直隨電流增加，說(shuō)明負(fù)色散項(xiàng)中的比值 N2g1/N1g2可以忽略不計(jì)，而當(dāng)電流超過(guò)100毫安時(shí)，該系數(shù)開(kāi)始 下降。這表示高能級(jí)的N2值不能忽略。如果拉登堡繼續(xù)增大放電電流，肯定會(huì)發(fā)現(xiàn)F值由正變負(fù)的情況。Fv0,意味著 N2g1/N1g2 > 1，也即 N2/g2 >N1/g1?？墒?無(wú)論是拉登堡還是其他研究反常色散的研究者都沒(méi)有繼續(xù)這項(xiàng)試 驗(yàn)，因?yàn)槿藗儗?duì)平衡態(tài)是如此地堅(jiān)信不移，以致于都認(rèn)為不可能 偏

7、離太遠(yuǎn)，不會(huì)得到負(fù)吸收。到了 1940年，蘇聯(lián)有一位物理學(xué)家在做博士論文時(shí)注意到了 負(fù)吸收。他在博士論文中寫道：“對(duì)于分子（原子）的放大，N2/N1大于g2/g1是必需的。盡 管這一集居數(shù)（即粒子數(shù)）之比在原則上可以達(dá)到，但迄今尚未 觀測(cè)到這種情況?！彼@然已經(jīng)預(yù)見(jiàn)到了利用某種輔助手段使高 能級(jí)的“濃度”大于平衡態(tài)下的“濃度”。這位物理學(xué)家叫法布 里坎特。他雖然沒(méi)有具體實(shí)現(xiàn)自己的方案，但作為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)這 一物理思想的倡導(dǎo)者，他的貢獻(xiàn)是不應(yīng)忽視的。§ 1.3微波激射器的發(fā)明湯斯是美國(guó)南卡羅林納人，1939年在加州理工學(xué)院獲博士學(xué) 位后進(jìn)入貝爾實(shí)驗(yàn)室。二次大戰(zhàn)期間從事雷達(dá)工作。他非常喜愛(ài)

8、 理論物理，但軍事需要強(qiáng)制他置身于實(shí)際工作之中，使他對(duì)微波 等技術(shù)逐漸熟悉。當(dāng)時(shí)，人們力圖提高雷達(dá)的工作頻率以改善測(cè) 量精度。美國(guó)空軍要求他所在的貝爾實(shí)驗(yàn)室研制頻率為 24000MHz 的雷達(dá)，實(shí)驗(yàn)室把這個(gè)任務(wù)交給了湯斯。湯斯對(duì)這項(xiàng)工作有自己的看法，他認(rèn)為這樣高的頻率對(duì)雷達(dá) 是不適宜的，因?yàn)樗^察的這一頻率的輻射極易被大氣中的水蒸 汽吸收，因此雷達(dá)信號(hào)無(wú)法在空間傳播，但是美國(guó)空軍當(dāng)局堅(jiān)持 要他做下去。結(jié)果儀器做出來(lái)了，軍事上毫無(wú)價(jià)值，卻成了湯斯 手中極為有利的實(shí)驗(yàn)裝置，達(dá)到當(dāng)時(shí)從未有過(guò)的高頻率和高分辨 率，湯斯從此對(duì)微波波譜學(xué)產(chǎn)生了興趣，成了這方面的專家。他 用這臺(tái)設(shè)備積極地研究起微波和分子之

9、間的相互作用。湯斯在會(huì)上沒(méi)有透露任何想法，立即返回哥倫比亞，把他的 研究組成員召集攏來(lái)，開(kāi)始按他的新方案進(jìn)行工作。這個(gè)組的成 員有博士后齊格爾(H.J.Zeiger)和博士生戈登(J.PGordon )。后 來(lái)齊格爾離開(kāi)哥倫比亞，由中國(guó)學(xué)生王天眷接替。湯斯選擇氨分 子作為激活介質(zhì)，這是因?yàn)樗麖睦碚撋项A(yù)見(jiàn)到，氨分子的錐形結(jié) 構(gòu)中有一對(duì)能級(jí)可以實(shí)現(xiàn)受激輻射， 躍遷頻率為23870MHz。氨分 子還有一個(gè)特性，就是在電場(chǎng)作用下，可以感應(yīng)產(chǎn)生電偶極矩。 氨的分子光譜早在1934年即有人用微波方法作出了透徹研究。 1946年又有人對(duì)其精細(xì)結(jié)構(gòu)作了觀察，這都為湯斯的工作奠定了 基礎(chǔ)。湯斯設(shè)計(jì)的微波激射器如

10、所示。他們?cè)谡撐闹凶髁巳缦抡f(shuō)明:“氨分子束從束源射出后進(jìn)入聚焦電極系統(tǒng)。這些電極建成 沿射線軸的柱形四極靜電場(chǎng)。在反轉(zhuǎn)能級(jí)中，高能態(tài)分子受沿半 徑方向向內(nèi)的（聚焦）力，而低能態(tài)受沿半徑方向向外的力，于 是到達(dá)空腔的分子實(shí)際上都是高能態(tài)的。當(dāng)腔內(nèi)存有分子束時(shí)， 空腔中感應(yīng)出躍遷，從而引起了空腔能量的變化。不同頻率的功 率輸經(jīng)空腔，當(dāng)速調(diào)管的頻率調(diào)到分子躍遷頻率時(shí)，觀察到了發(fā) 射譜線?！叭绻麖姆肿邮l(fā)射的功率足以在腔內(nèi)保持足夠的場(chǎng)強(qiáng)，以 達(dá)到可以引起后續(xù)分子束感應(yīng)躍遷的程度，就會(huì)產(chǎn)生自持振蕩。 這樣的振蕩已經(jīng)產(chǎn)生，盡管功率尚未直接測(cè)出，但估計(jì)約為10-8瓦。振蕩的頻率穩(wěn)定度可與各種可能的原子鐘不相

11、上下?！睖剐〗M歷經(jīng)兩年的試驗(yàn)，花費(fèi)了近 3萬(wàn)美元。1953年的一 天，湯斯正在出席波譜學(xué)會(huì)議，戈登急切地奔入會(huì)議室，大聲呼 叫道：“它運(yùn)轉(zhuǎn)了?！边@就是第一臺(tái)微波激射器。湯斯和大家商 議，給這種方法取了一個(gè)名字，叫“微波激射放大器”。英文名為 “ Mi-crowave Amplificati on by Stimulated Emissio n of Radiation ”，簡(jiǎn)稱 MASER （脈塞）。§ 1.4激光的設(shè)想50年代初，盡管微波激射器還剛剛興起，已經(jīng)有人開(kāi)始考慮 在比微波波長(zhǎng)更短的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子放大。上面提到的蘇聯(lián)科學(xué) 家法布里坎特在1951年就曾向蘇聯(lián)郵電部提出一份專

12、利申請(qǐng)書(shū)， 題目叫：“電磁波輻射(紫外光、可見(jiàn)光、紅外光和無(wú)線電)放 大的一種方法，特點(diǎn)是被放大的輻射通過(guò)一種介質(zhì)，用其他方法 和輔助輻射使相當(dāng)于激發(fā)態(tài)的高能級(jí)上的原子、其他粒子或系統(tǒng) 的濃度增大，超過(guò)平衡濃度?！笨墒沁@項(xiàng)申請(qǐng)直到1959年才得到 批準(zhǔn)和發(fā)表。看來(lái)，這項(xiàng)建議即使在蘇聯(lián)也沒(méi)有起到顯著影響。在美國(guó)，1956年狄克(R.H.Dicke)發(fā)展了一個(gè)概念，叫“超 發(fā)光” (superradianee)，還提出了 “ 光彈” (optical bomb )的 設(shè)想，里面包含了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的思想。所謂超發(fā)光，是指當(dāng)激發(fā) 脈沖過(guò)后，由于自發(fā)輻射會(huì)產(chǎn)生一極強(qiáng)的光。同時(shí)他還在專利申 請(qǐng)書(shū)中提出了運(yùn)用

13、法布里-珀羅干涉儀作為諧振腔的設(shè)想。不過(guò)， 這項(xiàng)申請(qǐng)書(shū)是在1957年才批準(zhǔn)的，對(duì)公眾的影響不大。最先發(fā)表激光器的詳細(xì)方案是湯斯和肖洛。1957年他們開(kāi)始 考慮“紅外和可見(jiàn)光激射器”的可能性。1958年春，湯斯和肖洛決定將自己的理論分析寫成論文，并 申請(qǐng)專利。在申請(qǐng)專利時(shí)，竟遭到貝爾實(shí)驗(yàn)室專利辦公室負(fù)責(zé)人 的拒絕，他認(rèn)為光對(duì)通訊不會(huì)有什么重要性，不涉及貝爾實(shí)驗(yàn)室 的利益。只是由于湯斯的堅(jiān)持，才作了申請(qǐng)并于1960年獲得批準(zhǔn)。肖洛和湯斯的論文1958年12月在物理評(píng)論上發(fā)表后，引 起強(qiáng)烈反響。這是激光史上有重要意義的歷史文獻(xiàn)。湯斯因此于 1964年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。這篇論文的題目叫：紅外區(qū)和光學(xué)激射

14、器，主要是論證將 微波激射技術(shù)擴(kuò)展到紅外區(qū)和可見(jiàn)光區(qū)的可能性。他們建議：有選擇地增大某些模的 Q值，從而增強(qiáng)選擇性。 他們從理論上對(duì)振蕩條件作了推導(dǎo)，并且舉例說(shuō)明產(chǎn)生振蕩的可 能性。文中具體報(bào)導(dǎo)了肖洛以鉀作的初步實(shí)驗(yàn)。他們提出還可以利 用銫作工作介質(zhì)，靠氦譜線進(jìn)行激發(fā)。他們也考慮到了固體器件， 然而并不十分樂(lè)觀，因?yàn)楣虘B(tài)譜線一般較寬，選模會(huì)更困難，而 可利用的頻率合適的抽運(yùn)輻射又很有限。 他們表示：“可能還有 更美妙的解答。也許可以抽運(yùn)到亞穩(wěn)態(tài)以上的一個(gè)態(tài)，然后原子 會(huì)降到亞穩(wěn)態(tài)并且積累起來(lái)，直到足以產(chǎn)生激射作用?！痹谛ぢ搴蜏沟睦碚撝敢?，許多實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始研究如何實(shí)現(xiàn) 光學(xué)激射器，紛紛致力于尋

15、找合適的材料和方法。湯斯和他的小組也在用鉀進(jìn)行試驗(yàn)。他的小組成員里有一名 高反膜專家，是英國(guó)人，叫海文思(O.S.Heavens)。湯斯深知腔 鏡是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題，希望靠這位專家解決技術(shù)問(wèn)題。然而 實(shí)驗(yàn)仍然歸于失敗。看來(lái)，由于反射鏡處于諧振腔內(nèi)部，離子不 斷轟擊造成膜層退化，即使反射鏡的質(zhì)量再高也無(wú)濟(jì)于事。在貝爾實(shí)驗(yàn)室，肖洛開(kāi)始研究把紅寶石當(dāng)作工作介質(zhì)的激光 器。他對(duì)固體器件很有信心，認(rèn)為：“在氣體中所作到的任何事情，在固體中都能做得更好?！钡撬诠ぷ髦蟹噶艘粋€(gè)錯(cuò)誤，誤以為紅寶石的R線（即6934?與6929?）不適于產(chǎn)生激光。他 在1959年第一屆國(guó)際量子電子學(xué)會(huì)議上報(bào)告說(shuō)：“在綠色區(qū)

16、有一條寬吸收帶，在紫外區(qū)也有幾條。當(dāng)經(jīng)這些 吸收帶激發(fā)時(shí)，晶體發(fā)射出幾條深紅色的窄帶（近于 7000?）,兩 條最強(qiáng)的線（6919?和6934?）相應(yīng)于回到基態(tài)，所以低能態(tài)上原 子總是較多，而并不適于激光行動(dòng)。但最強(qiáng)的伴線（7009?）, 回到更低的能態(tài)，在液氦溫度下一般是空的，也許有用, 固體脈塞可以做得特別簡(jiǎn)單。基本上它就是一根棒，一端全反射，另 一端也差不多是全反射。側(cè)面保持光澤，以便接收抽運(yùn)輻射?！毙ぢ鍥](méi)有做成紅寶石激光器，卻啟示梅曼（TMaiman ）做出 了第一支激光器。二、激光的應(yīng)用激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打

17、孔、微加工 以及做為光源，識(shí)別物體等的一門技術(shù)，傳統(tǒng)應(yīng)用最大的領(lǐng)域?yàn)?激光加工技術(shù)1。激光技術(shù)是涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等 多門學(xué)科的一門綜合技術(shù)。傳統(tǒng)上看，它的研究范圍一般可分為， 加工系統(tǒng)（包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機(jī)床、控制系統(tǒng)及檢測(cè) 系統(tǒng)）；加工工藝（包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標(biāo)、劃 線、微調(diào)等各種加工工藝）：激光焊接：汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器 件。目前使用的激光器有金運(yùn) YAG激光器，金運(yùn)C02激光器和半 導(dǎo)體泵浦激光器；激光切割：汽車行業(yè)、計(jì)算機(jī)、電氣機(jī)殼、木刀模業(yè)、各種 金屬零件和特殊材料的切割

18、、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm 以下的電子機(jī)件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞 鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。使用激光器有 YAG激光器和CO2激光器；激光打標(biāo)：在各種材料和幾乎所有行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用，目 前使用的激光器有YAG激光器、C02激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器；激光打孔：激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子 儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG 激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了 800w至1000w。國(guó)內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石和 天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機(jī)葉片、 多層印刷線路板等行業(yè)的生產(chǎn)中。目前使用的激光器多以YAG激 光器、金