神奇之光

激光是如何被发现的 知道了激光的特性，我们再来看看它是如何被发现的。 我们还得从阿基米德说起。阿基米德是一个大学问家，他的故事广为流传。他洗澡时发明了称皇冠的办法，大家都不会忘记，但肯定对他想制作武器的事不太熟悉。古希腊学者阿基米德的故乡是地中海之滨的一个美丽的地方。相传公元前3世纪时，这里物产丰富，人杰地灵。人们崇尚科学，讲究文明，生活富庶，安居乐业，到处是一派和平宁静的景象。然而，地中海另一岸的罗马帝国对此十分嫉恨，他们对这块富裕的土地早有侵略之心，可谓是觊觎已久。但由于连年征战，无暇顾及，加之当时时机尚未成熟，所以没有轻举妄动。 聪明的希腊人也深知自己的美丽国土随时都有被侵略的危险，他们居安思危，研究对策。当时的希腊国王也向全国颁布诏书，动员全国人民研究对付入侵的良策。 崇尚科学的希腊人自然把目光投向了科学，希冀科学能够救国。由于阿基米德的家乡就在地中海之滨，是罗马帝国入侵的首当其冲之地，所以，历史的重担落到了阿基米德的肩上。他向家乡的父老许诺，他准备研制一种秘密武器，打败罗马帝国的军队。但他到底用什么样的武器，谁也不知道。 突然有一天，一个阳光明媚的日子，地中海上出现了庞大的罗马舰队，向希腊阿基米德的故乡急速驶来，眼见着这块美丽的土地就要遭到侵略者铁蹄的践踏。 有人向阿基米德报告，阿基米德告诉大家都到海边看热闹，他要一个人消灭罗马舰队。人们将信将疑。只见阿基米德骑上一匹快马，飞快地向山上奔去。 再说罗马舰队，浩浩荡荡，气势汹汹，直扑而来。 前面的舰只向指挥官报告，发现岸上有许多人在驻足观看，并没有多少害怕的样子，好像在观看罗马舰队演习似的。指挥官大喜，心想：他们没有丝毫准备，我们一定会大获全胜的。 正在这时，一道强光似利剑划破天空，不一会儿，罗马舰队的木质战船纷纷起火，顷刻间，但见浓烟滚滚，火光冲天。哭叫声、着火的噼啪声、逃生时的入水声响成一片…… 强大的罗马舰队不战自败。 人们顺着强光看去，只见山顶上一面巨大凹形镜子发出耀眼的强光，阿基米德正指挥他的助手在忙碌着。 阿基米德正是用了光武器打败了罗马的舰队。 这个传说虽说很令人兴奋，但却经不起推敲。 18世纪时有一个叫皮埃尔的法国人，也许是受了阿基米德的启发，他也设计了一架“光炮”。它由168块反射镜组成，每一块镜子长15厘米，宽20厘米。这168块镜子加起来的总面积为5万平方厘米左右，相当于一个半径为0.9米的半球面反射镜的面积。 这架光镜所聚集的太阳光，能够使47米远的松木板在几分钟内点着燃烧。但是，如果把松木板再移远一点儿，镜子的数目就得大大增加。如果想在半分钟内把1公里远的松木板烧着的话，这反射镜的半径就得增大到1公里左右。这么大的镜子，不要说在当时技术条件下造不成，就是在今天科学技术非常发达的时期也是一件难事。即使是造出了这么大的镜子，也不能在战场上使用，因为只要一发子弹，就能把它打得粉碎。试想一下，阿基米德需要设计多大的镜子才能把敌战船烧着呢?阿基米德的悲哀就在于人根据他的启示只能把镜子做得越来越大。 在人类社会的发展过程中，人始终和光保持着极为密切的关系。人类除了充分利用太阳这个天然的光源外，还发明创造了许多人造光源，从古老的燧木取火、油灯、蜡烛，到如今的各种电灯。但这些都是普通光，重要用途是照明，很难发挥更大的作用。过去由于战争频繁，人们早就幻想用光做武器，并为此进行了巨大努力。 幻想毕竟是幻想，不论怎样煞费苦心，利用太阳光做杀敌武器终究无法实现。激光更是不可想象的事。 当历史发展到1916年时，著名的大物理学家——爱因斯坦提出了光受激辐射的理论，这才为激光的发明奠定了理论基础。但是，由于当时科学技术水平的限制，激光还是没有发明出来。 后来，随着无线电技术的发展需要，人们开发了新波段，特别是为了获得高质量的电磁波定向波束，而工程上要求发射电波的天线又不能过大(因为波长越长，所需的天线尺寸越大)，只有向短波方向发展。微波波长是无线电波中最短的，所以发展较快。1954年，美国的物理学家汤恩斯等人为获得相干辐射，研制成功了第一架波长为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了。由于这类器件具有极低噪音、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很大。因此，在理论和技术上发展非常迅速，很快从实验室步入实用阶段。由于激光器实际上就是一台光波段的量子放大器，所以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。 物质基础和理论基础都已具备，只要有人将它们结合起来，也许就发明出来了，但事情并没有那么简单。 1958年，汤恩斯和前苏联学者巴索夫等人提出了把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试验成功第一台固体红宝石光量子放大器。当时，他用刚玉中掺入铬离子(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。当时有论文指出，不能指望用红宝石晶体作为激光的工作物质，理由是按它的能级结构和特性，需要的泵浦强度极高，技术上不容易达到。还有的论文指出，红宝石的发光量子效率低，只有1％左右。因而，梅曼也曾考虑采用碱金属蒸气作工作物质，但分析对比后发现这种蒸气作工作物质遇到的难度更大。梅曼在研制微波激射器时用过红宝石晶体，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试一试，从中了解一下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。 他重新测量了红宝石晶体的量子效率，结果发现不是文献上的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到8000K。所以，技术上完全可以做到。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。这样，第一台激光器就被制造出来了。梅曼接通电源，打开开关，一束耀眼的神奇红光射了出来，梅曼成功了，他制造了世界上第一台光量子放大器。实际上，光量子放大器就是激光，这种神奇之光被称为“Laser”(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadition)，意为辐射受激发射的光放大，其缩写“莱塞”，台湾学术界译为“镭射”。“激光”和“莱塞”是在我国的一种通俗叫法。 事隔一年，中国的科学家们也制造出了激光器。当时正值我国的三年自然灾害时期，人们生活极为困难，我国的科学家发扬艰苦奋斗的精神，在缺乏设备的情况下，凭着一腔的爱国热血和聪明才智，制造出了我国的第一台激光器。它是由中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功的，当时所使用的物质也是红宝石晶体，直径0.5厘米，长3厘米。所用的泵浦源是直管式脉冲氙灯，不是螺旋式氙灯。设计者认为，用直管式氙灯泵浦工作物质可以得到和螺旋氙灯相同的泵浦效率，但制造工艺更为简单一些。 第一台激光器一出现，立即引起了各国科学家的高度重视，相继发明了许多不同类型的激光器。1961年氦氖气体激光器问世，1962年出现了镓砷半导体激光器，1963年出现了液体激光器，1965年出现了化学激光器，以后，种种激光器如雨后春笋般纷纷出世。目前，能产生激光的工作物质已有上千种。激光的波段范围不断扩展，长波方向扩展到远红外，与无线电波的毫米波相接，短波方向扩展到紫外至X射线。由于激光具有许多优异特性，各种科学和技术领域纷纷应用激光这个强有力的手段，形成一门新的交叉学科和应用技术，出现了激光加工、激光检测、激光通信、激光医学、激光化学、激光全息和应用激光技术等等，使激光技术成为现代高科技领域中一支重要的生力军。 激光器基本上由3个部分组成：第一部分是用于产生受激发射的工作物质。工作物质可以是固体的，如晶体和玻璃等，也可以是气体，如惰性气体和二氧化碳，还可以是液体。第二部分称为能源激励装置(亦称泵浦源)，它通过一定的方式向工作物质输入能量，使工作物质处于粒子数反转状态。第三部分称为光学谐振腔，它由两块光学反射镜按一定方式组合而成，工作物质就放置在两块反射镜之间，谐振腔的作用是使工作物质发出的受激光在两块反射镜之间多次往返，从而在腔内形成持续振荡。能量激励装置向工作物质输送能量，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，这种受激发射光的强度很弱，由于光学谐振腔的存在，使得在一定方向上的受激光在两个反射镜之间多次往返，多次通过工作物质，激励一部分工作物质发出受激光，即经历一次由受激发射作用所引起的光放大。当往返到足够多的次数，使光的放大程度等于或者大于腔内的各种损耗后，就可以在腔内建立起稳定、持续的相干光振荡，其中一部分振荡光通过一块具有一定透过率的反射镜而输出到腔外，形成我们所需要的激光，这就是激光产生的基本过程。激光器由于工作物质、光激励源的工作方式、工作波长的不同，可以把激光器分为很多种类。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射线激光器等多种激光器。目前，这些激光器已形成一个庞大的家族。由于激光的神奇特性，所以，它在许多领域都有广泛的应用价值，成为名符其实的多面手。

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