激光簡史及應(yīng)用

1、及應(yīng)學(xué)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(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、信息和軍事六個領(lǐng)域。關(guān)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(xué)技術(shù)。它是現(xiàn)代物理學(xué)的一項重大成果，是 20世紀量子理論、 無線電電子學(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，值得我們認真學(xué)習(xí)和總結(jié)。§ 1.1愛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(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。愛因斯坦在玻爾能級理論的基礎(chǔ)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(yīng)奠定了理論基礎(chǔ)。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(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(xué)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(zhì)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(yīng)能級的統(tǒng)計權(quán)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(zhì)， 另一束經(jīng)正常介質(zhì)，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(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 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(jié)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。可是 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(xué)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(yù)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(xué)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(zhuǎn)這 一物理思想的倡導(dǎo)者，他的貢獻是不應(yīng)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(xué)院獲博士學(xué) 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(shù)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(wù)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(jié)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(xué)產(chǎn)生了興趣，成了這方面的專家。他 用這臺設(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(xué)生王天眷接替。湯斯選擇氨分 子作為激活介質(zhì)，這是因為他從理論上預(yù)見到，氨分子的錐形結(jié) 構(gòu)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(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年又有人對其精細結(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(zhuǎn)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(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，當速調(diào)管的頻率調(diào)到分子躍遷頻率時，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)保持足夠的場強，以 達到可以引起后續(xù)分子束感應(yīng)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(xué)會議，戈登急切地奔入會議室，大聲呼 叫道：“它運轉(zhuǎn)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(shè)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(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(zhì)，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?！笨墒沁@項申請直到1959年才得到 批準和發(fā)表?？磥?，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(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(shè)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(zé)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(xué)激射

14、器，主要是論證將 微波激射技術(shù)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(dǎo)，并且舉例說明產(chǎn)生振蕩的可 能性。文中具體報導(dǎo)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(zhì)，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?！痹谛ぢ搴蜏沟睦碚撝敢?，許多實驗室開始研究如何實現(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(guān)鍵問題，希望靠這位專家解決技術(shù)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(zhì)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(zhì)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。”但是他在工作中犯了一個錯誤，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(xué)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(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。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?；旧纤褪且桓簦欢巳瓷?，另 一端也差不多是全反射。側(cè)面保持光澤，以便接收抽運輻射。”肖洛沒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(shù)，傳統(tǒng)應(yīng)用最大的領(lǐng)域為 激光加工技術(shù)1。激光技術(shù)是涉及到光、機、電、材料及檢測等 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(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 YAG激光器，金運C02激光器和半 導(dǎo)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(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