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          激光器40年的發展歷程

          光電資訊 2022-07-19 15:29:56


          1958年12月15日,美國《物理評論》雜志發表了L.肖洛和H.湯斯的題為《紅外和光的微波激射》論文,宣告“將微波激射技術擴大到紅外和光頻譜區段時……產生了極其單色的和相干的光”,這就是激光。他們從氨的受激發射著手,提出可能應用的工作介質材料。為此,貝爾實驗室的A.詹萬用氦原子與電子非彈性碰撞方法使氦原子處于亞穩態,使其釋放的能量激發氖原子,在1959年提出氦—氖激光器的原理。1960年,美國休斯研究室的T.梅曼運用固體的紅寶石做實驗,研制成功世界上第一臺紅寶石激光器。梅曼將氙閃光燈發出的光照射在紅寶石上,紅寶石由于受激而發射出方向高度集中的強光束———激光。第一臺紅寶石激光器的發明為現代各種激光器的研制奠定了基礎。


          自激光器發明后,由于激光的單色性、方向性、相干性和高亮度極好,為人類帶來了一種嶄新的強光源。在40年的發展期間,滿足不同需要的激光器先后研制成功,有固體激光器、半導體激光器、氣體激光器、液體激光器,以及遠紅外、遠紫外激光器、X射線激光器、量子阱激光器、量子級聯激光器、孤子激光器和激光蝴蝶結激光器等。


          固體激光器的工作物質是在基質材料的晶體或玻璃中均勻地摻入少量的激活離子。真正發光的是激活離子,如紅寶石三能級系統中的鉻離子、釹玻璃四能級系統中的釹離子等,因此,又稱為“固體離子激光器”。固體材料的活性離子密度介于氣體和半導體之間。固體材料的亞穩態壽命比較長,自發輻射的光能損失小、貯能能力強,故適于采用調Q技術產生高功率脈沖激光。固體激光器中紅寶石是三能級系統。其余大都是四能級。固體激光器通常用泵燈進行光激勵,所以壽命和效率受到泵燈的限制。但由于固體器件小而堅固,脈沖輻射功率很高,所以應用范圍較廣泛。


          美國電話電報公司貝爾實驗室的研究人員在1992年研制出當時世界上最小的固體激光器。這種激光器在掃描電子顯微鏡下看起來就像一個個微型圖釘,其直徑只有2—10微米。在一個大頭針的針頭上,可以裝下1萬個這樣的新型半導體激光器。這種激光器不同于大多數激光器。它使用一種回音廊方式,就像沿著某些教堂的所有內壁都能聽到聲音一樣,激光圍繞著每個“圖釘頭”的邊緣也易于傳播,并保持一定的強度。半導體激光器主要用作光通信的光源,分單、雙異質結構的半導體激光器。它們是貝爾實驗室的科學家在60年代后期提出并研制成功的。由于它們是用砷化鎵和鋁、鎵或銦等砷化物制成的,與光纖材料一致,因而不但可作為激光器使用,而且是光纖通訊最適用的光源,對于光通信和光電及光器件的制造有重要價值。


          此外,寶石激光器在六七十年代又發展出釔鋁柘榴石激光器,而釹柘榴石激光器用作殺傷武器、靶指示器、搜索器和控制器有了很大發展。隨著光通信及其網絡的發展,集成光路和光子元器件迅速發展,以及光(量子)計算機的問世,微型激光器在近15年內發展迅速,其尺寸日益減小,如激光蝴蝶結激光器小到一個針尖大小可有上百個。激光光盤、激光復印和激光全息照相等正迅速發展。在微型激光器發展的同時,大型和大功率的激光器在用作激光炮、,有了很大發展。盡管由于軍事機密原因,我們尚無法得知其構造,,其功率和準確性是很大的。其中以氟化氫和氟化氪激光器、阿爾法化學激光器和氧碘化物激光器在星球大戰計劃、,從而正在改變傳統的戰略和戰術。


          高亮度的X射線激光可用來進行等離子體物理研究和材料科學研究,水窗波段的X激光可進行生命活細胞的全息照相,由此可以得到細胞內部的立體“照片”。當這種細胞分子還“住在”細胞內并正在引起化學反應時,X射線激光技術使微生物學家能夠檢查這些結構很脆弱而且復雜的細胞分子。


          激光核聚變是目前各發達國家研究的熱門,1961—1968年蘇聯、法國公布了激光引起核聚變反應而釋放中子的技術。1972年美國提出高壓向心爆炸核聚變理論,1979年美國用釹玻璃激光器組進行了氘—氚燃料壓縮,80年代中后期,美國建成“歐米伽”釹玻璃激光裝置,供做直接驅動核聚變的關鍵設備。,目前得到越來越大的重視和研究。


          總之,激光核聚變技術正處于重大突破的前夜,材料來源無限和安全的核聚變能源將成為21世紀能源解決的方案的核心,激光技術在這方面將起關鍵的重大作用。激光測距是目前最準確的測距技術,用碘穩定的氦—氖激光測定的米尺精度達10-12,它對于零件加工和宇航及空戰有重要價值。目前銫原子鐘是標準時鐘,其精度達10-14,華人科學家朱棣文在1986年發明的激光冷凍和捕獲單個銫原子技術,使原子鐘的精度提高了100倍以上,他因此在1998年獲得了諾貝爾物理獎。


          激光科學技術的發展不僅能導致許多重要的應用,而且還能帶動多種學科的發展。自由電子激光對加速器和同步輻射技術的帶動、X光激光對等離子體物理和原子物理的帶動就是極好的例子。激光的發展還大大推動著非線性光學、光譜學、激光與物質相互作用的研究以及與激光有關的各種交叉學科的進展。當年,激光的發現令人興奮;40年后的今天,激光大范圍地改變了科技、產業和戰略面貌,在即將到來的21世紀,激光這種新型的光,必將更加燦爛輝煌?。╫ecr)


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