雷射誕生60周年,你對雷射了解多少?

2020-12-03 3D實驗室

雷射最初的中文名叫「鐳射」「萊塞」,是它的英文名稱LASER的音譯,取自英文 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,意思是「通過受激輻射達到光的放大」,指通過受激輻射放大和必要的反饋,產生準直、單色( monochrome)、相干( coherent)的光束的過程及儀器。而基本上,產生雷射需要「諧振腔」( resonator)、「增益介質」(gain medium)及「抽運源」(pumping source)這3個要素。

雷射是20世紀以來,繼原子能、計算機、半導體之後,人類的又一重大發明,被稱為「最快的刀」、 「最準的尺」、「最亮的光」和「奇異的雷射」,它的亮度為太陽光的100億倍。雷射的原理早在 1916 年已被著名的物理學家愛因斯坦發現,但直到 1960 年科學家才首次在實驗條件下獲得雷射。雷射是在有理論準備和生產實踐迫切需要的背景下應運而生的,它一問世,就獲得了異乎尋常的飛快發展。雷射的發展不僅使古老的光學科學和光學技術獲得了新生,而且導致整個一門新興產業的出現。雷射可使人們有效地利用前所未有的先進方法和手段,去獲得空前的效益和成 果,從而促進了生產力的發展。

愛因斯坦在20世紀30年代描述了原子的受激輻射。在此之後人們很長時間都在猜測,這個現象可否被用來加強光場,因為前提是必須有粒子數反轉存在。而這在一個二級系統中是不可能的。首先人們想到了三級系統,而且計算證實了輻射的穩定性。

1958年,美國科學家肖洛和湯斯發現了一種神奇的現象:當他們將氖光燈泡所發射的光照在一種稀土晶體上時,晶體的分子會發出鮮豔的、始終會聚在一起的強光。根據這一現象,他們提出了「雷射原理」,即物質在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激勵時,都會產生這種不發散的強光——雷射。他們為此發表了重要論文。

肖洛和湯斯的研究成果發表之後,各國科學家紛紛提出各種實驗方案,但都未獲成功。1960年5月16日,美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼宣布獲得了波長為0.6943 μm的雷射,這是人類有史以來獲得的第一束雷射,梅曼也因此成為世界上第一個將雷射引入實用領域的科學家。

1960年7月7日,梅曼宣布世界上第一臺雷射器——紅寶石雷射器誕生。梅曼的方案是,利用一個高強閃光燈管,來刺激紅寶石。由於紅寶石在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉,所以當紅寶石受到刺激時,就會發出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鑽一個孔,使紅光可以從這個孔溢出,從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱,當它射向某一點時,可使其達到比太陽表面還高的溫度。

蘇聯科學家尼古拉·巴索夫於1960年發明了半導體雷射器。半導體雷射器的結構通常由P層、N層和形成雙異質結的有源層構成。其特點是:尺寸小,耦合效率高,響應速度快,波長和尺寸與光纖尺寸適配,可直接調製,相干性好。

在20世紀80年代後期,半導體技術使得更高效而耐用的半導體雷射二極體成為可能,這些在小功率的CD和DVD光碟機以及光纖通信中得到使用。在20世紀90年代,高功率的雷射激發原理得以實現,比如片狀雷射器和光纖雷射器。後者由於新的加工技術和20 kW的高功率不斷地被應用到材料加工領域中,從而部分替代了二氧化碳氣體雷射器和Nd:YAG固體雷射器。

2010年雷射誕生50周年時,國際光學工程學會、美國光學學會和美國雷射學會等機構,組織世界各地的雷射領域科學家,從成千上萬的雷射應用中總結歸納了26項亮點應用,包括光學相干層析成像、光纖光通信、光腔環形衰蕩光譜、雷射切割、雷射標記、飛秒頻閃譜、條形碼掃描器、雷射筆、雷射光刻、DVD和CD播放機、雷射演示與全息術、雷射眼科醫療、微波激射器與宇宙背景微波輻射、雷射幹涉儀、雷射核聚變、雷射雷達(光探測和測距)、雷射陀螺、雷射導星自適應光學、入侵者雷射探測、光鑷、量子信息處理、光速減慢、超快攝影、雷射制導、雷射冷凍、雷射推進與加速。

近10年來,軍事領域的雷射武器(雷射炮、雷射反飛彈、反衛星武器),農業領域的雷射育種,醫療領域的雷射治療癌症,測量領域的引力波幹涉測量,製造領域的雷射焊接、雷射3D列印、雷射微納米製造、雷射清洗也取得了長足進步。

經過60年的研究發展,與雷射相關的產品、技術和服務已經遍布全球,形成了豐富和龐大的雷射產業。產業鏈上遊主要包括光學材料及元器件,中遊主要是各種雷射器及其配套裝置與設備,下遊以雷射應用產品、雷射製造裝備、消費產品、儀器設備為主。雷射產業為中國製造、高端裝備、智能製造的發展發揮了重要作用。

今年是雷射器誕生60周年,是值得紀念的一年。《高等光學仿真(MATLAB)版——光波導,雷射(第3版)》第6章「雷射原理及仿真」,從雷射的基本原理出發,介紹輻射與物質的相互作用,關於自發輻射、受激輻射和受激吸收的愛因斯坦關係式,吸收與光學增益,雷射器的基本構成,雷射速率方程和雷射調Q技術等內容。以一種典型的被動調Q的微晶片雷射器為例,給出了其被動調Q的速率方程組,該速率方程組可以簡化為一個具有3個自變量的常微分方程組。利用MATLAB的常微分方程初值問題求解函數即可對該被動調Q速率方程組進行仿真求解,得到被動調Q的微晶片雷射器的脈衝時域特性以及被動調Q過程中光子數密度和反轉粒子數密度隨時間的變化關係。希望通過仿真加強大家對雷射及其原理的理解,並能夠利用雷射做更多的事情。

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