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1、当代物理前沿专题之三激光技术【完整版】(文档可以直接使用，也可根据实际需要修订后使用,可编辑放心下载）当代物理前沿专题之三激光技术 邓锡铭 雷仕湛31 激光器简史132 激光器的根本原理533 激光技术应用1334 激光技术的开展22 1960年，在光学开展历史上发生了不寻常的事件：激光器一种具有极高亮度和极好单色性的新型光源诞生了激光器的创造开创了一个光学新时代，开展了一门高技术人们是怎样开创激光的历史的，激光又是怎样产生的，在国民经济建设中有些什么作用，今后的开展状况又将如何？ 31 激光器简史 311 相干电磁波谱的扩展 雷达在第二次世界大战中起 的作用给科学家们留下了深刻的印象，以致在
2、战争结束后，还都认为对雷达的研究工作不仅不能终止，而且应该大力开展因为雷达不仅是在军事上有价值，在国民经济建设中，比方气象观测、飞机和轮船的导航等，也是非常有价值的工具雷达的空间分辨本领，亦即能区分的最小物体长度，与使用的电磁波波长有关因为电 磁波的衍射角和波长有关：式中的D是电磁波束的半径波长长的电磁波，衍射角大，空间分辨力也就低比方用1m波长的雷达可以区分长度10m的物体，那么用波长1mm的电磁波便能把长度差异1cm的物体给分辨出来了不过，得到波长为厘米或毫米的单色电磁波不容易，因为制造相同尺度的电磁波振荡器，加工工艺遇到困难，况且能得到的电磁波功率也不高20世纪50年代初，在美国哥伦比亚
3、大学工作的汤斯CHTownes 正在从事研究产生毫米波长和亚毫米波长电磁辐射的方法，但工作进展很缓慢后来他意识到需要走出传统的框子，另外开辟制造相干电磁波辐射振荡器的路子，才能摆脱困境他设想用原子、分子做电磁波的振荡器用这样的振荡器，将可以产生微波，甚至可见光波段的相干辐射一个原子、分子振荡器产生的电磁波辐射强 度固然很弱，但如果大量这种振荡器能够统一行动，即以相同的相位发射相同波长的电磁波，就能“众志成城，获得强大的单色相干电磁辐射波使各个分子振荡器“统一行动，要应用下面将谈到的受激发射的原理汤斯按照这个思想，在1954年成功地制出了氨分子振荡器，产生出波长为1.25cm的相干电磁辐射这种振
4、荡器命名为Maser微波激射器氨分子振荡器发射的电磁辐射频率非常稳定，可以用作频率标准即分子钟；它的噪声极低，可以用作高灵敏度的放大器以后，人们又研制成功用 固体物质比方红宝石晶体做成的微波激射器，能在极低的温度下工作，噪声更低，几乎是零因此，它是超灵敏度的前级接收机和放大器微波激射器的成功，激起了许多物理学家开拓更短波长相干辐射的热情在美国贝尔 实验室工作的肖洛ALSchawlow和汤斯联手合作研究1958年12月，他俩把研究成果写成论文，投寄在美国出版的?物理学评论?杂志，论文题目是?红外和光学激射器?，论述了获得光激射器即现在的激光器的可能性和实验方法 312 汤斯和肖洛的光激射器理论
5、激光器开展的起点可以认为是从肖洛和汤斯在?物理学评论?杂志上发表那篇?红外和光学激射器?文章的日期算起，因为那一天他们首先给出微波激射器推广到光学波段的具体设想微波激射器和光学激射器有 三方面的差异首先是使用的共振腔性质不同为了在共振腔内保持单一的电磁辐射波型，腔体的线度应是一个波长数量级这个要求在微波波段尚可以办到，在光频波段，满足这种要求的腔体尺寸太小了，即使制造得出来，实用价值也不大而用一个比波长大许多的腔体，会存在许多复杂波型或称模式，对于获得单色性 好的光辐射是极为不利的第二个差异是频率的调谐性在微波波段，通过调节外加磁场强度，利用塞曼效应Zeeman ef-fect 就可以造成大于
6、或相当于微波频率的变化量对于光频波段来说，其变化量那么仅仅是光频率的极小份额第三个差异是本底噪声因为自发辐射跃迁几率正比于辐射频率的立方，所以，在光频波段由自发辐射跃迁产生的本底噪声远远高于微波波段的本底噪声在考虑到这些差异之后，汤斯和肖洛设想一种新式共振腔称为开放 腔，把共振腔的大局部壁面去掉，用两块平行放置的高反射率反射镜组成共振腔这么一来，就只保存沿共振腔轴线传播的光波形成的共振模式，沿其它方向那么消失，从而到达了控制共振腔内模式数目的目的，同时也降低了自发辐射的作用，降低了本底噪声水平继而他们又构思实现受激辐射跃迁过程，即让受激辐射放大起 作用在开放式共振腔内放发光材料，然后用光源对它
7、泵浦，使原子获得激发原子停留在激发态的平均时间称为原子激发态平均寿命很短，因此，起码会有不少原子同时发射光子这些光子又诱导其它在激发态的原子产生受激辐射，腔内“相同的光子数目加倍；这些光子又诱导其它在激发态的原子产生受激辐射，相同 光子数目又加倍如果不断循环进行，腔内“相同光子数目以指数函数形式增长当通过受激辐射过程产生的光功率，比腔壁以及腔内其它原因造成损失的数量还多，光源就进入振荡状态汤斯和肖洛在他们的论文中给出了到达振荡状态时，光学材料内处于高能态的原子数目需要比在低能态原子数目多出的量这个量称为激 光阈值振荡能级粒子数反转密度，同时也给出了到达振荡阈值所必需供应激光材料的能量或功率这些
8、计算公式我们在下一节会给出 313 梅曼制成世界上第一台激光器 在20世纪50年代末，提出制造激光器的方案有好几种汤斯和肖洛提出用碱金属蒸气主要是钾和铯做激光器的工作物质，用金属气体放电灯做泵浦源贝尔实验室的贾万AJavan提出用氦氖混合气体做激光器的工作物质，采用气体放电让氦、氖原子激发到高能级休斯实验室的梅曼CMMaman采用红宝石晶体做激光器的工作物质，用氙灯做泵浦源结果是梅曼的工作方案首先获得成功，在1960年5月制成世界上第一台激光器毋容置疑，梅曼是克服了许多困难，排除了种种障碍之后才制成他那台激光器的梅曼在斯坦福大学当博士研 究生时做过微波激射器的实验，后来到休斯实验室新建的原子物
9、理部继续研究微波激射器，使用的材料就是红宝石晶体不过，据梅曼的回忆，他选择红宝石激光器方案并不仅是这个原因在开始时也不清楚该用什么材料比拟好，况且当时有些论文指出，选红宝石晶体做激光器的工作物质并不适宜理由是，红宝石中铬离子受 激发射跃迁的终态是基态，产生能级粒子数反转需要非常强的泵浦光源，这种光源不容易找到另一个问题是，红宝石晶体的量子效率很低，当时报道的结果是1%左 右梅曼是经过一番分析比照和实验之后才确定选择红宝石晶体的梅曼有一个根本思想，制造出来的激光器要适合实际应用的要求，固体材料巩固耐用，比用其它材料更适宜其次，激光器工作时最好不要求低温，他在做微波激射器时，已尝过低温工作条件带来
10、的诸多不便红宝石晶体的机械强度很高，符合他的第一个宗 旨；此外，他在做微波激射器时也积累了这种材料的一些光谱数据，对分析Cr3+离子产生的受激发射跃迁，分析对泵浦源光谱的要求等有些帮助量子效率低是个严重的缺点，但其数值能提高吗？为了解决这个问题，他首先研究红宝石晶体的量子效率，实验测定的结果出乎意料：量子效率竟高达70%，而不是文献中报道的1%他又重新研究建立能级粒子数反转所要求的泵浦强度理论计算的结果发现，Cr3+离子受激发射终态是基态这一点并不重要，主要是泵浦光源的亮度，只要有辐射强度等价于5000K的光源就行他回忆起教科书上有过记载，氙灯的辐射温度可以到达8000K，这就完全可以满足实验
11、的要求有前面的实验结果和理论计算结果，梅曼下定决心选择红宝石晶体做第一台激光器的工作物质他在实验室中有关氙灯的广告目录中查到，通用电气公司生产的FT503、FT506、FT624螺旋型石英管氙灯都能满足要求在实验时他用了型号为FT506的氙灯图3-1是梅曼制造的第一台激光器用的红宝石晶体是他在做微波激射器时留下来的，体积为1cm3，刚好可以塞进氙灯的那只螺旋圈1960年5月，梅曼用这台装置观察到受激发射放大现象同年7月，休斯公司召开新闻发布会，公布了这项创造，当天纽约时报作了简短报道8月6日，英国出版的?自然?杂志发表了题为?红宝石光激射作用?的文章许多实验室获得这个消息之后进行了重复实验，证
12、实了利用梅曼的实验装置得到的光辐射具有受激辐射的特点：荧光持续时间缩短，荧光谱线宽度变窄和比拟好的相干性激光器果真是成功了此后不久，用其它固体材料以及用氖、氦混合气体也相继获得了激光，在1960年末，制成的激光器有10多种 314 我国的第一台激光器 我国科学家对国际上的光学研究开展动向相当了解，特别要提出的是中国科学院长春光学精密机械研究所的青年科学家们，我国的第一台激光器就是他们制成的在50年代末，我国科学家也在探讨光激射器，而且提出了许多有价值的设想不过，在那个年代，我国的工业和科学技术水平比拟低，制造激光器遇到的困难比欧美的科学 家多得多就拿激光器那只泵浦用的氙灯来说，美国休斯公司的梅
13、曼根据自己计算的结果，马上可以在通用电气公司买到适宜的氙灯我国当时就没有这种产品，也不可能从国外进口，需要自己动手造不仅如此，连制灯用的氙气一种惰性气体当时也没有产品制造第一台激光器用的氙灯需要的氙气，是器材采购员跑了大 半个中国，好不容易在上海一家灯泡厂的仓库里找到1949年前从国外买回来用剩的两瓶气体，才算解决了问题类似的事还不少我国的科学家经历了多少曲折，花了多少精力，克服了多少困难才制成我国第一台激光器，局外人是难以想象的我国第一台激光器是中国科学院长春光学精密机械研究所王之江领导设计并和邓锡铭、汤星里、杜继禄等共同实验研制成的他们用的工作物质也是红宝石晶体，长度是3cm，直径0.5c
14、m，含铬离子浓度约0.04%在结构上，我国这台激光器和梅曼那台器件有些不一样比方使用的氙灯是直管式的，而不是螺旋式我国科学家认为，从泵浦光能量的利用率来说，用直管式氙灯甚至比用螺旋氙灯还好一些，而且制造直管式氙灯工艺比螺旋式氙灯简单图3-2是我国第一台激光器的外形图整台激光器的外形是一只小球，红宝石棒和氙灯并排放在球心附近参加我国第一台激光器研究 的科学家中谁也没有见过激光器，都是头一趟做这件事装配起来的激光器，其工作条件不能说都选得恰当，所以即使它有激光输出来，功率也不会很高因此判断是否真正获得了激光，也是费了一些功夫的判断从激光器输出来的辐射是不是激光，主要是从激光的特性着手激光有很好的单
15、色性，测量从激光器输出的光谱线 宽度，与同一波长的荧光谱线宽度相比拟，如果得到的是激光，其谱线宽度会突然变窄；或者把激光器输出的光辐射经过分光计分光后用光电接收器接收，由示波器显示信号，在宽阔的荧光曲线图上突然出现尖峰，便说明激光器此时输出来的光辐射是属于受激发射的光了激光有很好的方向性，是激光的话，沿光束传播方向在 不同距离上测量得到的光强度相差不大还有一个方法是利用激光的相干性好的特点，让激光束通过一块有两只小孔的光阑，在交叠的地方会显示出清晰、明锐的干预条纹我国科学家用了这几种方法进行鉴定，证实得到的辐射是由受激辐射放大产生的，才宣布研制成功了激光器 315 激光器之名的由来 我国第一台激光器在1961年9月问世，但一直到1964年年底还没有一个统一的名字有人根据 Laser的发音称作“莱塞和“雷射；有人根据 Laser原来的含义Light Amplification by Stim-ulated Emission of Radiation，把它称作“光受激发射放大器；有人根据这种新光源是从微波激射器演变至光学波段的，把它称作“光激射器此外还有“光量子放大器、“光量子振荡器等同一样东西，叫法不一样，会造成混乱，不便于学术交流，也不利于开展
