激光簡史及應用

1、及應學號 20 1 3 2 1 0006用姓名楊策目錄一一一激光發(fā)展簡史1.1愛因斯坦提出受激輻射概念1.2負色散的研究1.3微波激射器的發(fā)明1.4激光的設想二激光的應用摘要：按照激光探頭是否與激光作用的物質接觸， 分為接觸式和非接 觸式兩種工作模式。激光應用的領域，主要有工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)、科 研、信息和軍事六個領域。關鍵字：激光、受激輻射、負色散、微波激射器、電磁波輻射一、激光發(fā)展簡史激光是20世紀中葉以后近二三十年內(nèi)發(fā)展起來的一門新興科學技術。它是現(xiàn)代物理學的一項重大成果，是 20世紀量子理論、 無線電電子學、微波波譜學以及固體物理學的綜合產(chǎn)物，也是科 學與技術、理論與實踐緊密結合產(chǎn)生的燦

2、爛成果。激光科學從它 的孕育到初創(chuàng)和發(fā)展，凝聚了眾多科學家的創(chuàng)造智慧。他們的探 索精神，值得我們認真學習和總結。§ 1.1愛因斯坦提出受激輻射概念激光的理論基礎早在1916年就已經(jīng)由愛因斯坦奠定了。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：處于高能級的原子，受外來光子的作用，當外來光子 的頻率正好與它的躍遷頻率一致時，它就會從高能級跳到低能級， 并發(fā)出與外來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，一個光子變成了兩個光子。如果條件合適，光就可以象雪 崩一樣得到放大和加強。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”。愛因斯坦是在論述普朗克黑體輻射公式的推導中提出受激輻 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 學年鑒上。愛因斯坦在玻爾能級理論的基礎上進一步發(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：能量交換和動量 交換，為后來發(fā)現(xiàn)的康普頓效應奠定了理論基礎。不過愛因斯坦并沒有想到利用受激輻射來實現(xiàn)光的放大。因 為根據(jù)玻爾茲曼統(tǒng)計分布，平衡態(tài)中低能級的粒子數(shù)總比高能級 多，靠受激輻射來實現(xiàn)光的放大實際上是不可能的。因此在愛因斯坦提出受激輻射理論的許多年內(nèi)，這個理論并 沒有太

4、多運用，僅僅局限于理論上討論光的散射、折射、色散和 吸收等過程。直到1933年，在研究反常色散問題時才觸及到光的放大§ 1.2負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 一部分實驗結果。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)有一些學者致力 于用量子理論說明色散現(xiàn)象，其中包括德拜和索末菲。到了1928年，德國光譜學家拉登堡（R.W丄adenburg ）得到了一個折射率n 隨波長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量，N2與N1分別是高能級2 與低能級

5、1的原子數(shù)，g1與g2表示相應能級的統(tǒng)計權重，入21是2-1躍遷的輻射波長，f21是一系數(shù)。式中 1- N2/N1g1/g2 稱為負色散項，表示由于高能級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年做了一系列實驗，研究 氖的色散，觀測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)過玻璃板P1分成兩束，一束經(jīng)受激介質， 另一束經(jīng)正常介質，再會合于 P2后用光譜儀觀測。他們在氖的譜 線6334?、6383?及6402?附近觀察到了鉤形的干涉圖形。 根據(jù)儀 器的結構、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系。拉登堡用的放電管長 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。實驗結果表明，放電電流在100毫安以下時，色散系數(shù) F 一直隨電流增加，說明負色散項中的比值 N2g1/N1g2可以忽略不計，而當電流超過100毫安時，該系數(shù)開始 下降。這表示高能級的N2值不能忽略。如果拉登堡繼續(xù)增大放電電流，肯定會發(fā)現(xiàn)F值由正變負的情況。Fv0,意味著 N2g1/N1g2 > 1，也即 N2/g2 >N1/g1?？墒?無論是拉登堡還是其他研究反常色散的研究者都沒有繼續(xù)這項試 驗，因為人們對平衡態(tài)是如此地堅信不移，以致于都認為不可能 偏

7、離太遠，不會得到負吸收。到了 1940年，蘇聯(lián)有一位物理學家在做博士論文時注意到了 負吸收。他在博士論文中寫道：“對于分子（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到，但迄今尚未 觀測到這種情況?！彼@然已經(jīng)預見到了利用某種輔助手段使高 能級的“濃度”大于平衡態(tài)下的“濃度”。這位物理學家叫法布 里坎特。他雖然沒有具體實現(xiàn)自己的方案，但作為粒子數(shù)反轉這 一物理思想的倡導者，他的貢獻是不應忽視的。§ 1.3微波激射器的發(fā)明湯斯是美國南卡羅林納人，1939年在加州理工學院獲博士學 位后進入貝爾實驗室。二次大戰(zhàn)期間從事雷達工作。他非常喜愛

8、 理論物理，但軍事需要強制他置身于實際工作之中，使他對微波 等技術逐漸熟悉。當時，人們力圖提高雷達的工作頻率以改善測 量精度。美國空軍要求他所在的貝爾實驗室研制頻率為 24000MHz 的雷達，實驗室把這個任務交給了湯斯。湯斯對這項工作有自己的看法，他認為這樣高的頻率對雷達 是不適宜的，因為他觀察的這一頻率的輻射極易被大氣中的水蒸 汽吸收，因此雷達信號無法在空間傳播，但是美國空軍當局堅持 要他做下去。結果儀器做出來了，軍事上毫無價值，卻成了湯斯 手中極為有利的實驗裝置，達到當時從未有過的高頻率和高分辨 率，湯斯從此對微波波譜學產(chǎn)生了興趣，成了這方面的專家。他 用這臺設備積極地研究起微波和分子之

9、間的相互作用。湯斯在會上沒有透露任何想法，立即返回哥倫比亞，把他的 研究組成員召集攏來，開始按他的新方案進行工作。這個組的成 員有博士后齊格爾(H.J.Zeiger)和博士生戈登(J.PGordon )。后 來齊格爾離開哥倫比亞，由中國學生王天眷接替。湯斯選擇氨分 子作為激活介質，這是因為他從理論上預見到，氨分子的錐形結 構中有一對能級可以實現(xiàn)受激輻射， 躍遷頻率為23870MHz。氨分 子還有一個特性，就是在電場作用下，可以感應產(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年又有人對其精細結構作了觀察，這都為湯斯的工作奠定了 基礎。湯斯設計的微波激射器如

10、所示。他們在論文中作了如下說明:“氨分子束從束源射出后進入聚焦電極系統(tǒng)。這些電極建成 沿射線軸的柱形四極靜電場。在反轉能級中，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 是到達空腔的分子實際上都是高能態(tài)的。當腔內(nèi)存有分子束時， 空腔中感應出躍遷，從而引起了空腔能量的變化。不同頻率的功 率輸經(jīng)空腔，當速調管的頻率調到分子躍遷頻率時，觀察到了發(fā) 射譜線。“如果從分子束發(fā)射的功率足以在腔內(nèi)保持足夠的場強，以 達到可以引起后續(xù)分子束感應躍遷的程度，就會產(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出，但估計約為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，花費了近 3萬美元。1953年的一 天，湯斯正在出席波譜學會議，戈登急切地奔入會議室，大聲呼 叫道：“它運轉了?！边@就是第一臺微波激射器。湯斯和大家商 議，給這種方法取了一個名字，叫“微波激射放大器”。英文名為 “ Mi-crowave Amplificati on by Stimulated Emissio n of Radiation ”，簡稱 MASER （脈塞）。§ 1.4激光的設想50年代初，盡管微波激射器還剛剛興起，已經(jīng)有人開始考慮 在比微波波長更短的范圍內(nèi)實現(xiàn)量子放大。上面提到的蘇聯(lián)科學 家法布里坎特在1951年就曾向蘇聯(lián)郵電部提出一份專

12、利申請書， 題目叫：“電磁波輻射(紫外光、可見光、紅外光和無線電)放 大的一種方法，特點是被放大的輻射通過一種介質，用其他方法 和輔助輻射使相當于激發(fā)態(tài)的高能級上的原子、其他粒子或系統(tǒng) 的濃度增大，超過平衡濃度。”可是這項申請直到1959年才得到 批準和發(fā)表。看來，這項建議即使在蘇聯(lián)也沒有起到顯著影響。在美國，1956年狄克(R.H.Dicke)發(fā)展了一個概念，叫“超 發(fā)光” (superradianee)，還提出了 “ 光彈” (optical bomb )的 設想，里面包含了粒子數(shù)反轉的思想。所謂超發(fā)光，是指當激發(fā) 脈沖過后，由于自發(fā)輻射會產(chǎn)生一極強的光。同時他還在專利申 請書中提出了運用

13、法布里-珀羅干涉儀作為諧振腔的設想。不過， 這項申請書是在1957年才批準的，對公眾的影響不大。最先發(fā)表激光器的詳細方案是湯斯和肖洛。1957年他們開始 考慮“紅外和可見光激射器”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 申請專利。在申請專利時，竟遭到貝爾實驗室專利辦公室負責人 的拒絕，他認為光對通訊不會有什么重要性，不涉及貝爾實驗室 的利益。只是由于湯斯的堅持，才作了申請并于1960年獲得批準。肖洛和湯斯的論文1958年12月在物理評論上發(fā)表后，引 起強烈反響。這是激光史上有重要意義的歷史文獻。湯斯因此于 1964年獲諾貝爾物理獎。這篇論文的題目叫：紅外區(qū)和光學激射

14、器，主要是論證將 微波激射技術擴展到紅外區(qū)和可見光區(qū)的可能性。他們建議：有選擇地增大某些模的 Q值，從而增強選擇性。 他們從理論上對振蕩條件作了推導，并且舉例說明產(chǎn)生振蕩的可 能性。文中具體報導了肖洛以鉀作的初步實驗。他們提出還可以利 用銫作工作介質，靠氦譜線進行激發(fā)。他們也考慮到了固體器件， 然而并不十分樂觀，因為固態(tài)譜線一般較寬，選模會更困難，而 可利用的頻率合適的抽運輻射又很有限。 他們表示：“可能還有 更美妙的解答。也許可以抽運到亞穩(wěn)態(tài)以上的一個態(tài)，然后原子 會降到亞穩(wěn)態(tài)并且積累起來，直到足以產(chǎn)生激射作用。”在肖洛和湯斯的理論指引下，許多實驗室開始研究如何實現(xiàn) 光學激射器，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行試驗。他的小組成員里有一名 高反膜專家，是英國人，叫海文思(O.S.Heavens)。湯斯深知腔 鏡是整個系統(tǒng)的關鍵問題，希望靠這位專家解決技術問題。然而 實驗仍然歸于失敗。看來，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，即使反射鏡的質量再高也無濟于事。在貝爾實驗室，肖洛開始研究把紅寶石當作工作介質的激光 器。他對固體器件很有信心，認為：“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€錯誤，誤以為紅寶石的R線（即6934?與6929?）不適于產(chǎn)生激光。他 在1959年第一屆國際量子電子學會議上報告說：“在綠色區(qū)

16、有一條寬吸收帶，在紫外區(qū)也有幾條。當經(jīng)這些 吸收帶激發(fā)時，晶體發(fā)射出幾條深紅色的窄帶（近于 7000?）,兩 條最強的線（6919?和6934?）相應于回到基態(tài)，所以低能態(tài)上原 子總是較多，而并不適于激光行動。但最強的伴線（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。側面保持光澤，以便接收抽運輻射?！毙ぢ鍥]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、激光的應用激光加工技術是利用激光束與物質相互作用的特性對材料（包括金屬與非金屬）進行切割、焊接、表面處理、打

17、孔、微加工 以及做為光源，識別物體等的一門技術，傳統(tǒng)應用最大的領域為 激光加工技術1。激光技術是涉及到光、機、電、材料及檢測等 多門學科的一門綜合技術。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、導光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測 系統(tǒng)）；加工工藝（包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃 線、微調等各種加工工藝）：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 YAG激光器，金運C02激光器和半 導體泵浦激光器；激光切割：汽車行業(yè)、計算機、電氣機殼、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：在各種材料和幾乎所有行業(yè)均得到廣泛應用，目 前使用的激光器有YAG激光器、C02激光器和半導體泵浦激光器；激光打孔：激光打孔主要應用在航空航天、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。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應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