激光发展的历史回顾和评述

� � � �年第 期 ! ∀ # ∃ # �% � � 杭 州 师 范 学 院 学 报 &∋ ( ) ! ∗ + ∋ , − ∗ ! . / − ∋ ( ! ∋ ) 0 ∗ + 1∋ + + 2 . 2 � � % �年 � �月 ! ∀ 3 , � � � � 激光发展的历史回顾和评述 林 武 荣 4 物理系 5 摘 要 本文回顾并评述 了激光历史 中受激发射 、 拉 子数反转 、 谐振腔 、 微波激射器和 激尤 器等重要理论和 器件的起源 、 历史 背景和演变发展 的过程 。 关键词 激光 受激发射 粒 子数反转 谐振腔 % 引言 激光是 “通过辐射的受激发射而实现 光 放 大 4 + 67 8 9 : ; < =是>6? : 9 6。 ≅ Α Β Χ9 6=≅ , , Δ: 9 Ε ; 6Χ Χ6∀ ≅ ∀> 7 : Ε 6: 96∀ ≅5 ” 的一种高强度和高平行度的相 或�二光 。 � � ∃ %年这种新光源 一一激光 器诞生时 , 犹如一声春雷震动了世界各国的科学领域 , 并很快走出实验室而获得了广泛的应 用 。 现在 , 激光已进入世界各国科学技术的最前列 , 渗透到国民经济各部门 , 参与了 日常生 活的各方面 。 激光器 已与晶体管和原子能反应堆被视为本世纪的三大发明 。 因此激光的产生 是人类 认识和驾驭自然的一次重大突破 , 对人类具有重大的影响 。 本文 以各个时期的报异和 论文为依据 , 回顾并评述激光发展的某些重要史实和意义 。 � 受激发射理论的提出 �� 世纪末 , 物理学的天空上出现了两朵乌云 , 其中一朵是黑体辐射的 “紫外灾难” 。 那 时从实验得出黑体辐射的单色辐射能密度的分布曲线同麦克斯韦的速度分布曲线相似 。 � Φ � ∃ 年维恩 4 Γ 6 ≅ 5根据这种类似性得出单色辐射能密 度的公式为 Η Ι : 3 ϑ 式 中 : 和 日为常数 。 匹Κ Λ 4 � 5 � � % %年瑞利 4 ) Β =∀ 6Μ 8 5 从能最按自ΝΟ臼度均分定律出发得出了 < 二要 、 , =9Λ、Π 一 4 Π 5 众所周知 , 这两个公式与实验曲线比较 , 在短波区域 , 维恩公式符合得很好 , 在长波区域则 有虽不太大但却是系统的偏离。 瑞利公式 与此相反 , 在 一长波部分符合得很好 , 但在短波波段 偏离非常大 。 不仅如此 , 当补 , % 4 即 、、 ?∀ 5 时 , ‘万公式都是 < ” ?∀ 。 即在 光 谱 的 紫 外 端 , 单色辐射能密度趋于无限大而被人们称为 “紫外灾难” 7 本文 Θ Μ ∀ =年 = 月 Π∃ 日收到 。 杭 州 师 范 沂 院 学 报 � � � �年 同一年 4 � � % %年 5 普朗克 4 Η坛≅? Ρ 5利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于 长波 的瑞利公式衔接起来得出 < 二 : 3 ϑ � 83 Σ Κ Λ 一 � 4 ϑ 5 显然普朗克公式与黑体辐射的实验曲线符合得很好。 但是普朗克利用内插法 一导出其公式是根 据实验数据猜出来的。 他当时认识到如果把这公式看成是侥幸揣测出来的 , 那他的价值就非 常有限 。 于是 , 他为了找出这个公式的真正物理意义而不得不 大 胆 地 作出假设 7 “黑体是 山带电的线性谐振子所组成 , 频率为3 的这些谐振子的能量取值为能量子 。。 Ι 8 3 的整数倍 。 ” 从经典的眼光来看 , 这个假设不可思 议 , 就连普朗克本人也感到难以相信 , 但由此推导 出的公式消除了黑体辐射的 “紫外灾难” 却是铁的事实 。 接着爱因斯坦发展这个假设—光最子假设 , 成功解释 了光 电效应现象 。 �� Τϑ 年玻尔又综合了普朗克 、 爱因斯坦的量子学说和 卢瑟福的原子模型 , 把量子概念应用到原子结构上成功解释了氢原子的线状光谱 。 这样 , 将 朗克的量子理论得到大多数物理学家的重视和接受 , 因而各种物理杂志上出现了许多试图能 够在新的基础上来推导普朗克黑体辐射公式的论文 。 Τ� �∃ 年爱因斯坦首次提出受激发射理论 的论文— 《关于辐射的量子理论 》就是在这一形势下为此 目的而发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的〔‘’。爱因斯坦在论文中提出基本假设 7 分子可 以处于一系列互不连续状态 / 7 , / 7 , ⋯ /。 , ⋯ , 这些状态对应的能量 。� , 。7 , ⋯‘ , ⋯ 。 如果分子是温度为 Λ 的气体 , 那末单位 时 间内出现 状态 / 。的次数Υ 。可 由统计力学关于正则状态分布的公式 Γ 。 Ι Η。 一 “·Σ Κ Λ 4 ς 5 得出 。 式 中Η≅表示这个状态的统计 “权重” 。 其次爱因斯坦又提出下列假设 7 Τ5 自发发射 。 一个分子可 以从状态 / =≅跃迁到较低状态 /。发出频率为 3 的辐射能。。 Ω 一 。。 , 而不用外界因素激发 。 这种跃迁在时间间隔Ε9 内发生的几率为 Ε Γ Ι 八; ≅ Ε 9 4∗ 5 Π 5 受激吸收和受激发射 。 在具有频率 3 的单色辐射能密度 <作用下 , 一 个分子可以从状 态/ ≅跃迁到/ 7≅ 。 在这过程中分子吸收能量 。。 一 。。 , Ε9 时间内发生的几率为 Ε Γ Ι Ξ ≅ ” < Ε 9 4 Ξ 5 在同一辐射能作用下 , 分子从状态/ ; 跃迁到/ 二也同样是可能的。 在这过程中 , 分 子 的 能 量 ? 7 � , 一 。被释放出来 。 根据儿率定律 Ε Γ Ι Ξ ; ≅ < Ε 9 4 Ξ 产 5 在每一单位时间内4Ξ 5类基元过程的平均发生次数应 该等于4八 5和 4Ξ 产5两类次数之和 。 因此 , Η、 一 衡了ΚΛ 氏 ; < 一 Η; 、 一 只川ΣΚ ΨΨ4 Ξ 诩 ≅ < 十 低 ≅5 4 Ζ5 移项得 ∗ 。 7 ≅< Ι 石了 �Η≅ Ξ ≅ ‘ 4。; 一 。。5 Σ Κ瓦百乒, 4 ∃ 5 令Η∀ Ξ ≅ Β≅ Ι Η ≅、Ξ ∀ ≅ , 八 ≅= ≅ Σ Ξ ≅ 、≅ Ι 。 3 ϑ和。。 一 。 二 8 3 4 [ 5 便可得出普朗克公式4 ϑ 5 。 公式 4 [ 5表示受激吸收 、 受激发射和自发发射系数的关系 。 第 ∃ 期 林武荣 7 激光发展的厉史回顾和评述 从公式4 Ζ 5可 以看出 , 如果爱因斯坦在这里不提出受激发射的理论 , 就没有公式4 Ζ 5右 边的第一项 , 即4 Ζ 5式演化为维恩公式4 � 5。 也就是因为有了公式4 Ζ 5中的第一项 , 才能得 出与普朗克公式4 ϑ 5相似的公式 。 从物理模型来说 , 在光与原子互作用的基本过程中 , 应用 类 比的方法由受激吸收现象推断出受激发射现象的存在也很直观 。 这里 , 爱因斯坦把物理学 的直观性与数学的技艺紧密地结合起来 。 爱因斯坦对这一推导和新概念的提出十分满意 , 认 为这是真正的推导 。 但更重要的是他在这里创造性提出受激发射的理论奠定了微波激射和激 光的理论基础 。 Π 粒子数反转概念的提出和微波激射器的诞生 爱因斯坦提出的受激发射理论虽然播下了激光物理的种子 , 为今天激光的蓬勃发展作出 巨大的贡献 , 但在当时受激发射的理论却未能引起物理学家足够的重视 , 爱因斯坦自己又把 工作重点放在相对论的研究上 。 �� Π ς年托尔曼 4 ) # 1 # Λ ∀= ; : ≅ 5 在户篇《在较高量子态 中分 子的持续时间 》的论文中首次讨论阐述这个问题〔” 。 托尔曼在论文 中应用爱因斯 坦 自 发 发 射 、 受激发射和受激吸收的观点以及可 以通过实验测量的方法 4 测量吸收光强 5 重新推导 自 发发射受激发射和受激吸收三个系数之间的关系 , 也得出了与爱因斯坦公式 4 ∃ 5相同的关系 式 。 接着托尔曼把Ξ ;≅ 和Ξ尹 的关系具体化 , 他描述了频率与两个能级能量差相对应的光在受 激发和受激吸收增长的情况 。 把通常所描述的吸收 4入射光强受到减弱 5定义为 “正吸收 ” , 而把入射光得到增强的吸收称为 “负吸收” , 并推导 出二者光强之比的关系式 Δ 正吸收 Δ 负吸收 Ε ! 。 Ε! 。 ! ≅ Ξ ∀ ; < Ε 9 ! ; Ξ二 ≅ ΗΕ 9 ! 二Η二 ! 二Η二 4 Φ 5 式中! ≅和 !口为基能态和激发能态的粒子数密度 。 托尔曼指出 , 在正常分 布时 , ! 。》 ! 二 , 放 大增强的 “负吸收” 一般可 以忽略。 但如果能使 ! 二∴ ! 7 , 则 “负吸收” 是可能的。 然 而 按 玻尔兹曼分布! ≅Σ ! 二 Ι Η汀Η; 83Σ Κ Λ , 要使! 二∴ ! 。 , 则介质的温度为负 4 Λ ] 。 5 , 因 而当 时人们认为这种负吸收是不存在的 , 受激发射的可能性仍没有引起物理学家的重视 , 甚至受 到以玻尔 4 Ξ ∀ 8 Ψ 5 为首的哥本哈根学派的反对。 又过了十六年 , � � ς %年 , 苏联的法 卜里康特 4 中: 、 < ⊥ Ρ : − Λ 5 提出建立证明负 吸收的实 验 , 包括使用介质放电的 “第二类碰撞 ” 效应来更好地进行负吸收〔舀, 。 � � Ζ %年 , 哥伦比亚大 学的兰姆 4 + : ; Α 5和雷士福特 4 ) 9 8 Ψ >∀Ψ Ε 5 指出 , 负温度只是表明较 高量子能态粒子占 有数比低能态的高 , 即粒子数反转而 已〔们。 他建议在氢的 /Η和 Π Ζ能级间引起这 种 粒子数反 转。 �� Ζ �年哈佛大学的柏塞尔 4 Η⊥Ψ ? = = 5 和庞德 4 Η ∀ ⊥ ≅ Ε 5 应用核磁共振技术使 氟化锉中 一对核自旋的粒子数反转 , 并直接检测到外加脉冲的负吸收 , 但是非常弱〔Ζ ’。 通过这个实验 确认净受激发射的可能性 , 并看到了发明微波激射器的希望 。 哥伦比亚大学的汤斯4Λ ∀ Γ ≅ Χ 5 首先认识到受激发射可 以提供一类有用的新装置 。 他利 用以前在德国所做的分子束分光术的工作 , 用四极聚焦技术把氨分子束分成两束 , 其中在较高 能态的一束是主要的。 然后让高能态的一束通过频率与这两个分离态能量差对应的谐振腔。 这一建议起初在 �� Ζ �年 �Π 月ϑ � 日在哥伦 比亚实验季刊上发表 , 并在附随的材料中详述了所进 行的实验工作的进展 。原来 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 是造出亚毫米波的振荡器不久被修改为微波振荡器 。 �� Ζ ς年 ς 月ϑ %日又发表了相同的 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 , 描述了微波振荡器的成功运转 。这后来被命名为微波激射器〔“〕。 杭 州 师 范 学 院 学 报 �% � �年 当然 , 其他的人也做了许多工作。 例如 , � � Ζ ϑ年韦伯4Υ “Α Ψ 5也讨论了微波放大的可能 性 仁[ ’。 在苏联 , �� Ζ Π一 � � Ζ ς年内 , 尼科莱 · . · 巴索夫 4 − # > # Α :1 ∀Ξ 5和 业 历 山 大 · 0 · 普罗霍罗夫 4 ∗ # 0 # ≅ < ∀ Θ ∀ < ∀ ” 5 也独立发表了与汤斯很相似的论文和建议仁Φ � 。 囚此 �� ∃ ς年诺 贝尔物理学奖授给了汤斯 、 巴索夫和普罗霍罗夫 , 以表彰他们三人对量子电子学的贡献而导 致微波激射器和激光器的发展 。 ϑ 激光器的诞生和发展 在汤斯制成第一台微波激射器之后 , 就有许多物理学家讨论 了推5工 ‘微波激射扮原理的户#& 题 , 他们希望至少可把它从微波区推广到远红外光区。 特别是汤斯曾详细地讨论把微波激射 器原理推广到光波段的可能性。 从 � � Ζς年到 � � Ζ [年他都想在原来振荡器的从‘_出上找到能产 ‘⎯二 稍五乙于 6 毫米波长的器件 , 但长期没有‘进展 。 他 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 , 就放大过程本身来说 , 从 电磁波6伶的 · 个波长区直接进入受激原 一于 7戈分子会 很快哀减的短紫外区是比较容易的 。 看来这是制造一 种只有儿个推荡模式的高α值共振腔的间题了 。 而 目‘这 意味着共振腔的尺 &‘与波长相比一定 不是很大的 , 但其中又必须 代浮纳相当大址的激发分子 。 研制过程中出现的一 些实际问题使汤 斯 认识到 , 对于很短的波长区 , 不 可避免地必须加大外部腔的尺寸 , 但这样又出现 许多复杂 的和不希望有的振荡模式 。 于是在 � � Ζ [年决定放弃通过亚毫米波段进入光频区的思想 , 而直 接进入波长更短的可见光区 , 希望实现第一台在光频区运转的激射器 。 他当时命名为 “光 呛 户放大器 ” 。 这个器件是把儿部分腔吠拆去让光能够射进去激励介质的一个腔内光泵系统 。 就在这一年 , 汤斯开始 ‘妇主贝尔实验室 Ο Ν 作的肖洛 4 ∗ # + # β ? 8 : Γ =∀ Γ 5 合作。 当时 , 汤斯是 贝尔实验 飞的咨询人员 。 肖洛提 出 犷 一 个关键性的建议 , 即除 了保留腔的 万个端峨以外 , 允 其余 #诊腔壁都折 去, 于是这种腔就成 了平行 一乎板的于涉仪了 。 见� Ζ Φ年 , Π月 , 肖涪和汤 _沂发 丧 一篇启发性论文〔ϑ 〕, 其中分析 了激光器的可能性 。他们得出结论 , 在使用光泵的某些实际系统 中维持光振荡的适当增益是可以做到的 。 他们在论文中详细地讨论了平 行平板干涉仪 在光谐 振腔上的应用并作 了精确的计算 。 为了把绝大部分不需要的模式衰减掉 , 而保证只有 一种或 儿种模式在振荡中有效 , 应把两极板间的距离取得比宽度大得多。 而且为 > 获得所希望的发 射 , 应把一个平板制成低反射 , 另一个为高反射 。 肖洛在 � � Ζ �年进行了红宝石 系统的光波或 微波和光的双共振实验 , 但是由于红宝石激光器是三能级系统 , 要把Ζ% χ以上的1 Ψ激发到激 发态上才能产生粒子数反转 。 � � Ζ �年梅曼 40 :6 ; : ≅ 5 研制在液氮温度下工作的 低噪声红宝 石脉冲放大器 。 利用含1 Ψ不低于 % # %Ζ χ的粉红色宝石进行了光和微波的双共振实验 。他用 Ζ ∃% 毫微米的光照射红宝石 , 减少基态的1 Ψ原子数而增加激发态的原子数 , 发现系统的光量子效 率接近于 � 。此项结果于 �� ∃ %年 ς 月发表 。 他还对各能级之间的跃迁几率进行观察 , 从而确信 , 用很强的光激励红宝石是可能发生激光振荡的 。于是他立刻在上述实验中使用一块�立方厘米 大小的红宝石 , 在其相对两面上镀银 。 当用强闪光灯照射时 , 没有引起激光振荡 , 观察到 系统的光谱线宽度变窄 , 荧光寿命变短 。 他认为这些现象是产生受激发射的结果 , 于是把红 宝石的两端重新研磨 , 反复做同样的实验 。 �� ∃ %年 ∃ 月终于获得成功 , 观察到美 丽 和 明 亮 ∃ � ς ϑ人的红色激光〔‘。’。 继梅曼红宝石激光器问世之后 , � � ∃ �年初杰文 4&: 3 : ≅ 5和他在贝尔实验室的同 一事 研制成 比一 人。气体激光器〔川 。 �� ∃� 年黑尔瓦思 4 Δ舰− 、3 : Ψ 98 5 研制成了第一 台α 开关激光器。 同年 第 ∃ 期 林武荣 7 激光发展的历史回顾和评述 波拉尼 4Η ∀= : ≅ 川 5 讨论了化学激光器的可能性, 斯尼特泽 4 β ≅ 69 δ Ψ 5 又制成 了傲玻璃激光 器 。 � � ∃ Π年报导 了砷化稼半导体激光器的运转 。 � � ∃ ς年布立基兹 4 Ξ Ψ 6Ε Μ Χ 5制成氢离子激光 器 Ω 帕特尔4Η:9 = 5制成二氧化碳激光器 。 �� ∃ ∃年制成了第一 台染料激光器 。 � � [ %年苏联 巴索 夫又制成了二氧化碳的准分子激光器 。 � � [ ∃年首次自由电子激光器实验成 功 , �� Φ ς 年美 国 + : Γ Ψ ≅ ? + 63 Ψ ; ∀ Ψ 国家实验室完成了一项在长波区获得高增益的自由电子激光器。 值得 一提的是上述染料激光器的调谐范围可从可见光到近紫外光 , 而 自由电子激光的调谐范围则 更宽。 这相对于以前只能发出固定波长的光源来说 , 又是一项重大的突破 , 使许多大科学家 赞叹不 已 。 例如与激光发展关系密切而且后来在激光光谱方面获得诺贝尔物理学奖的布洛姆 必根4Ξ= ∀ ; Α ∀ Ψ Μ ≅ 5 和 肖洛 4 β ? 8 : Γ =∀ Γ 5 在 � � Φ Π年就曾说过 7 “在激光发展的初期 , 谁能 预见激光器有连续可调谐的特性呢 ε ” 在六十年代 , 几乎每月在激光方面都有重大的发明和突破 。 激光技术能如此迅速的发展 是因为它所涉及的一些学科—光谱学、 物理光学 、 固体物理 、 物质结构和无线电电子学等在此之前都已成熟。 但是一门学科和技术得 以存在则有赖于广阔的应用范围。 激光由于具有 前述的优 良特性 , 一经 问世就得到各门科学技术的重视和应用。 此外 , 激光还带动非线性光 学、 统计光学 、 相二户胜理论、 激光光谱学和傅里叶光学的发展 。 可以预见 , 激光的未来无论 在基础科学和技术应用上都将得到更加无限广阔的发展 。 参 考 文 献 _ 范岱年 等编译。 爱因斯坦文集 。 商 务印 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 馆 , � � [ [ , ϑϑ Ζ一 ϑ Ζ 。。 Π ) # 1 # Λ ∀ =; : ≅ # Η=6Β Χ # ) 3 , Θ∀ Π ς , Π ϑ 7 ∃% ϑ ϑ φ # ∗ # ,: Α Ψ 6Ρ : ≅ 9 # Λ Ψ # φ Χ ∀ Χ # 2 = Ρ 9Ψ ∀ 9 Ρ 8 # Δ≅ Χ 9 # ς � , � % ς % , ς � 7 Π Ζ ς ς Υ # 2 # + : ; Α # &Ψ # : ≅ Ε ) # 1 # ) ∀ 98 Ψ>∀ ΨΕ , ,’8ΒΧ # ) 3 , � % Ζ % , [ � , Ζ ς � Ζ 2 # 0 # Η⊥ Ψ ∀ == : ≅ Ε φ 。 ,∀ ⊥ ≅ Ε # 6 Α 6Ε , Θ ∀ Ζ Δ , Φ � 7 Π [ � ∃ − # , Ψ 6 ΕΑ ⊥ Ψ Μ : ≅ Ε Υ # Δ‘: Γ # ! : 9⊥ ΨΓ 6Χ Χ ≅ Χ 8δ 9 几 , � � Ζ Θ , ϑ Ζ , � Ζ� [ & # Υ ∀ Α Ψ , Δ) 2 # Λ Ψ : ≅ Χ # 2 = 9 Ψ ∀ ≅ γ 3 6 。 , Π � Ζ ϑ , ϑ 7 � Ζ ! # . # Ξ: Χ ∀ 3 : ≅ Ε ∗ # 0 # ΗΨ ∀ Ρ 8∀ Ψ ∀ 3 # & # 2 η Η # Λ 8 ∀ Ψ # Η8Β Χ , � � Ζ ς 一 Π [ , ς ϑ � 。 ∗ # Δ& # β 8: Γ =∀ Γ : ≅ Ε 1 # − # Λ ∀ Γ ≅ Χ # 乳 Β # ) ∀ 3 , � � Ζ Ζ , � �Π , �� ς % �% & # − # 0 : 6扒 : ≅ , Ξ Ψ # 1 ∀迅; ⊥ ≅ # 2 = ? 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