雷射誕生50年:從紅寶石雷射器到人造太陽

2020-12-04 驅動之家

新浪科技訊 北京時間5月19日消息，據英國《新科學家》網站報導，當今應用廣泛的雷射已經誕生整整50年。今天雷射已經成為網際網路光纖骨幹網的基礎，可以幫助人們尋找新型清潔聚變能源，而雷射仍顯得是未來主義的。以下這組圖片反映了雷射從最初誕生到應用到各個領域的發展過程。

1. 雷射的誕生

 
雷射的誕生

1960年在加利福尼亞州馬裡布的休斯研究實驗室，西奧多·梅曼(Theodore Maiman)設計和建造了一臺小型的雷射發生器。他將閃光燈線圈纏繞在指尖大小的紅寶石棒上，產生了第一束雷射，雷射時代由此開啟，從此和人們的生活息息相關。

梅曼的實驗顯示，閃光燈發出的足以致盲的強光可以使紅寶石棒充能，這些能量隨後以純粹的紅色光脈衝的形式釋放，這些相干光有恆定的相位差，就像是列隊前進的士兵們。

2. 雷射武器

 
雷射武器

隨著雷射的誕生，軍事機構和小說家看到射線槍能夠成為現實，就開始著手打造雷射武器。1964年，007電影《金手指》中大反派「金手指」奧瑞克威脅詹姆斯-邦德，要用雷射將他鋸成兩半——這在當時，還是純粹的幻想。

3. 三維雷射

 
三維雷射

1948年科學家發明了全息技術，以提高電子顯微鏡的解析度，但埃米特·利斯(Emmett Leith)和朱瑞斯·烏帕特尼克斯(Juris Upatnieks )在1964年使用雷射對全息技術進行了徹底改造，發明了第一個不需要特製眼鏡就能看到的三維圖像。

他們用分裂的雷射光束將全息圖記錄在感光片上，其中一束雷射先被從被攝物體上反射開來，然後再與另一束會合，在感光片上成像。用一束與成像時相同方向的雷射照射感光片，就會在觀看者眼前產生一幅逼真的三維圖像。這張玩具火車圖是這兩位科學家在密西根大學的威洛·魯恩實驗室第一次記錄的全息圖。

4. 夢幻雷射

 
夢幻雷射

最初時，雷射的色彩是相當有限的：氦氖雷射器和紅寶石發出紅光，其他雷射器則產生不可見的紅外線。人們藉助離子雷射器第一次實現了如彩虹般的七彩雷射，它通過在氬或氪中的高壓放電產生雷射。氬氣產生藍色和綠色的光，氪產生其他幾種顏色，兩種氣體的混合可以產生整個可見光譜中的顏色。夢幻的雷射秀從此誕生。

5. 無處不在的雷射

 
無處不在的雷射

雷射技術第一次走進日常生活，是美國超市使用發出紅色氦氖雷射的條形碼掃描槍實現收款自動化。若爾斯·阿爾費羅夫(Zhores Alferovand )和赫伯特·克勒默(Herbert Kroemer)改進了製作半導體二極體雷射器的方法，讓雷射真正地無處不在。這兩位科學家因此獲得了2000年的諾貝爾物理獎。(圖中所示為一個半導體二極體雷射器和五美元鈔票大小的對比。)如今，這樣的晶片隨處可見，比如說CD播放器、藍光播放器、紅色雷射筆並構成了全球電信網絡的骨幹。

6. 用途廣泛的刀片

 
用途廣泛的刀片

在工業上，雷射被用作永遠不會變鈍的鋸和鑽頭。最初人們使用雷射來加工硬度很高的材料，如鑽石，或非常柔軟的材料，例如嬰兒奶瓶的奶嘴。

低功率雷射可以切割和焊接塑料；高功率雷射可以切割和焊接金屬。早期的工業雷射器，必須要有非常龐大的體形，才能產生足夠的能量，但新型固態雷射器卻非常小巧，給人印象深刻：如今一段細光纖或幾分之一毫米厚、撲克大小的碟片就能產生千瓦級的能量，足以切開幾釐米厚的金屬片。

7. 雷射廣泛的醫學用途

 
雷射廣泛的醫學用途

雷射的首次在醫學上的成功應用是進行眼內手術，無需要切開眼球。早在1962年，一臺紅寶石雷射器將病人脫落的視網膜與眼球重新連接，使他恢復了視力。更大的成功在1968年到來，外科醫生弗朗西斯·萊斯佩朗斯和貝爾實驗室的工程師使用氬離子雷射器破壞異常的血管，以避免這些血管在視網膜中擴散，這種病症後果非常嚴重，會導致糖尿病人失明。這種治療方法已經挽救了數百萬人的視力。如今，雷射也被用來切割角膜，以矯正視力，或者消除胎記和刺青。

8. 雷射之母

 
雷射之母(圖片來源：國家點火裝置)

很久以來可控核聚變都是人們最理想的清潔能源產生方式。1962年，在加利福尼亞州的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室，物理學家約翰·納科爾斯(John Nuckolls)，提出用雷射脈衝加熱和壓縮重氫同位素塊來實現可控核聚變。

自此之後，勞倫斯利弗莫爾實驗室一直追尋著這個理念，他們使用的雷射器也越來越大，終於在美國國家點火裝置(National Ignition Facility))中達到巔峰。 這是一個複雜的系統，可以同時發出192束雷射，去年，在十億分之幾秒的時間內，產生了能量達到100萬焦耳的雷射脈衝，使之成為有史以來能量最強的雷射器。國家點火裝置是美國科學家研製的、世界最大的雷射核聚變裝置。據悉，這個被稱為「人造太陽」的裝置能產生類似恆星內核溫度和壓力，使美國在無需核試的情況下保持核威懾力。

相關焦點

  • 世界上第一臺雷射器的誕生簡史
    在梅曼開始建造他的紅寶石雷射器之前，有人斷言紅寶石絕不是製造雷射的好材料，而肖洛也支持這種觀點。這使得很多人中止了用紅寶石來製造雷射的嘗試，但梅曼卻懷疑這個說法。為此，他花了一年的時間專門測量和研究紅寶石的性質，終於發現上述論斷所依據的基礎是錯誤的，而紅寶石確是製造雷射器的好材料。從此他著手建造那個世界上第一臺雷射器。
  • 記我國第一臺紅寶石雷射器研發者之一:鄧錫銘
    鄧錫銘，男，廣東東莞人，中國科學院院士，光學、雷射專家，他組織研發出我國第一臺紅寶石雷射器，並創建了以「神光」系列為代表的高功率雷射裝置。　　說到雷射器，就不能不提到一位東莞籍的科學家—鄧錫銘，他是我國的雷射科技之父，光學、雷射學專家。
  • 雷射器的誕生是哪一年?
    雷射器的誕生是哪一年？從粒子數反轉到雷射器，中間僅僅只有一步之差了。可是這一步卻足足走了二十年。1940年前後，人們在實驗過程中已經觀察到粒子數反轉和激發態原子的受激輻射對入射信號的放大作用。但是，當時並沒有人立即去研究利用受激輻射光。
  • 史上今日:1960年1月18日 研製出世界上第一臺紅寶石雷射器
    1960年1月18日，美國加利福尼亞休斯實驗室的西奧多·梅曼研製出了世界上第一臺紅寶石雷射器。從此，雷射科學和技術得到了異常迅速的發展。 1917年，愛因斯坦首次提出，存在受激發射的發光過程，從理論上預言了雷射的可能，但一直未有人能夠發現。1958年12月15日，美國《物理評論》雜誌發表了L.肖洛和H.湯斯的題為《紅外和光學激射器》論文，宣布「將微波激射技術擴大到紅外和光頻譜區段時……產生了極其單色的和相干的光」，開闢了嶄新的雷射研究方向。
  • 雷射誕生60周年,你對雷射了解多少?
    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。
  • 1961年我國第一臺紅寶石雷射器誕生-搜狐IT
    1961年8月，中國第一臺雷射器--"小球照明紅寶石"雷射器，在中國科學院長春光學精密機械研究所誕生了。它雖比國外同類型雷射器的問世遲了近一年的時間，但在許多方面有自身的特色，特別是在激發方式上，比國外雷射器具有更好的激發效率，這表明我國雷射技術當時已達到世界先進水平。
  • 藍綠光雷射二極體直接抽運鈦寶石雷射器，使飛秒雷射器成本降低
    早期鈦寶石雷射的抽運源主要是氬離子雷射器，隨著半導體雷射抽運技術的發展，自20世紀末以來，DPSSL便成了主流的抽運源，如倍頻Nd:YVO4雷射器（波長532 nm）。藍-綠雷射二極體的研究進展及其特性隨著高亮度、高功率藍-綠光雷射二極體（LD）的問世，LD直接抽運鈦寶石雷射器成為可能。LD具有結構緊湊、穩定性高、價格低廉的優勢，以LD作為抽運源，不僅可以大大降低鈦寶石雷射器的成本，還可以改善系統的穩定性，有利於系統的集成化。表1為日本日亞公司的藍-綠雷射二極體的產品列表。
  • 紅寶石雷射器結構及工作原理解析
    圖2-13示出了紅寶石晶體的螢光光譜。它是用連續發光的碘鎢燈發出的光，經透鏡聚焦後照射到紅寶石上，紅寶石則發出螢光，再用攝譜儀攝譜得到的，可以看到螢光是由兩條螢光譜線組成的，譜線的中心位置恰好與R銳線系的吸收線一致，因此也把它們稱作R螢光譜線，譜線的寬度約為7A，螢光譜線R1的強度比R2的大，這說R1線的自發輻射躍遷機率要比R2的大，除此而外，沒有出現其他的螢光譜線。
  • 自愛因斯坦提出受激輻射到第一臺雷射器的誕生
    自誕生第一臺雷射器以後近40年裡，雷射技術已經滲透到生物、化學、物理、醫學領域，形成雷射物理學、雷射化學、雷射生物學和雷射醫學等許多新的邊緣學科。　　雷射器的產生和發展　　1916年愛因斯坦提出的「自發和受激輻射」理論是現代雷射系統的物理學基礎。但是，在此之後的40多年裡，一直沒有人在實驗室證實受激輻射的存在。
  • ​3分鐘了解固體雷射器
    1960年《紐約時報》首先披露，梅曼成功製成了世界上第一臺紅寶石雷射器，他以閃光燈的光線照射進一根手指頭大小的特殊紅寶石晶體，創造出了相干脈衝雷射光束，這一成果讓世界為之震驚。世界第一臺雷射器就是從這臺固體雷射器開始的。
  • 60年前的群雄逐鹿，最後他用紅寶石點亮了世界
    這篇文章將帶你回到60年前那個令人振奮的時代，回顧雷射誕生的至「亮」時刻。會議之後，梅曼說服公司的管理人員，利用公司內部的科研經費開始雷射的研製。儘管很晚加入到雷射的競賽當中，但梅曼很幸運，他選用的增益材料是紅寶石。紅寶石在MASER研究中已經比較常見，肖洛在貝爾實驗室也嘗試過紅寶石，但並沒有成功，一是由於他用的紅寶石晶體質量較差，二是他使用連續光作為抽運光。
  • 雷射是如何被發現的？世界第一個雷射器是誰製造的？
    這些理論和技術的進展，都為雷射器的發明準備了條件。1951年，美國物理學家珀塞爾和龐德在核感應實驗中，把加在工作物質上的磁場突然反向，結果在核自旋體系中造成了粒子數反轉，並獲得了每秒50千赫的受激輻射，這是在雷射史上有重大意義的實驗。
  • 雷射是如何被發現的?世界第一個雷射器是誰製造的?
    這些理論和技術的進展，都為雷射器的發明準備了條件。1951年，美國物理學家珀塞爾和龐德在核感應實驗中，把加在工作物質上的磁場突然反向，結果在核自旋體系中造成了粒子數反轉，並獲得了每秒50千赫的受激輻射，這是在雷射史上有重大意義的實驗。
  • 二十塊錢一支的雷射筆內竟有大塊紅寶石?
    1877年 Frimy and Auguste Verneuil在超過兩千度的高溫下，燒結氟化鋇、氧化鋁和少量的鉻，獲得了人造紅寶石。1903年Verneuil宣稱他可以用這一方法完成商業規模的紅寶石生產。
  • 透徹解析:雷射到底是怎麼來的
    1960年，世界上的第一束人造雷射刺破了加州修斯實驗室的寧靜，西奧多·梅曼發明的紅寶石雷射器，開啟了人類創造雷射、利用雷射改造世界的大門。此後五十餘年來，雷射科學發展迅猛，雷射技術的普及應用也從方方面面走進了人們的生活。但多數人只是知道雷射有這樣那樣的用途，卻不知道雷射到底是怎麼來的。
  • 固體雷射器是什麼?
    發展最早的紅寶石雷射器，廣泛地應用在測距儀和材料加工上的石榴石雷射器，以及在雷射核聚變研究中首屈一指的釹玻璃雷射器，它們是固體雷射器的代表。紅寶石是一種人工製備的晶體。紅寶石的主要成分是氧化鋁。純淨的氧化鋁晶體稱作剛玉，是無色透明的，其中摻了少量氧化鉻（約萬分之幾）就成了紅寶石。雷射由鉻離子產生，剛玉則給了鉻離子一個有利於產生雷射的微觀環境。
  • 「雷射器」這個中國名字的由來
    OFweek雷射網訊：1960年在光學領域發生了一次重大進展。第一臺雷射器，一種利用受激輻射原理而得到具有極高亮度和極好單色性的新型光源，由美國的梅曼製成。它從紅寶石棒中發射出是太陽表面亮度4倍的一束深紅色光，把那種認為光學處於停滯狀態、光學的研究已經枯竭的看法一下子就打破了。
  • 美國「人造太陽」建成瞬間達1億度 核戰力飆升
    「人造太陽」建成 美核戰力飆升　　□本版文字 王裳　　在朝鮮核試引發全球核陰霾之際，美國科學家也毫不示弱。據美國媒體日前報導，世界最大的雷射核聚變裝置——「國家點火裝置」（簡稱NIF）5月29日在美國加州北部舉行落成典禮。
  • 「人造石墨烯」有望打開雷射器應用大門
    荷蘭盧森堡烏得勒支大學、德國馬普學會的研究人員對傳統半導體材料的納米晶體進行了「人造石墨」的理論研究，他們認為人造石墨有潛力應用於雷射器、LEDs、光伏以及電子設備。　　研究人員研究了晶格周期小於10nm的結構，發現其具有傳統半導體的結構特性，研究的半導體包括巖鹽鉛硫族化合物和閃鋅礦鎘硫化合物。
  • 盤點雷射器的原理組成及應用
    雷射器是一種能發射雷射的裝置，按工作介質分，雷射器可分為氣體雷射器、固體雷射器、半導體雷射器和染料雷射器4大類，近來還發展了自由電子雷射器，大功率雷射器通常都是脈衝式輸出。雷射器的工作原理除自由電子雷射器外，各種雷射器的基本工作原理均相同。產生雷射的必不可少的條件是粒子數反轉和增益大於損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵（或抽運）源、具有亞穩態能級的工作介質兩個部分。激勵是工作介質吸收外來能量後激發到激發態，為實現並維持粒子數反轉創造條件。