課外物理百科常識之激光技術

1900年12月24日，在德國物理學會的年會上，普朗克宣讀了他的關於正常光譜的能量分佈定律的理論論文，提出了一個革命性的思想光量子假説.1916年，愛因斯坦在舊量子論的基礎上提出了受激(感應)發射的概念，並在他的論文關於輻射的量子理論中首次給出了能態之間躍遷的新認識.他認為，在氣體分子(普朗克諧振子)的能態躍遷中，存在兩種不同的輻射過程：一種是由高能級到低能級的自發輻射，一種是由於頻率響應從高能級到低能級的受激輻射.受激輻射概念的提出，實際上已為激光器的發明奠定了理論基礎. 1921年，美國赫耳發明的磁控管能產生微波振盪，使人類開始了微波的研究;1924年物理學家託耳曼根據原子、分子系統內激發態上粒子數分佈的情況，指出可以得到負吸收或放大，並在實驗中觀察到了這種機制引起的吸收係數的變化;1928年，拉登伯格和科普夫曼在氣體放大的色散測量中，觀測到由於受激輻射所引起的負色散現象;1934年，美國的斯勒特和維維裏曼做了波長1～4cm的各種磁控管，將產生的微波射向充有氨氣(NH3)的橡皮球，發現氨分子在1.3cm波長處有強烈的吸收，這是用相干振盪器發現電磁波和分子相互作用的最早實驗，也是電磁波譜學的最早實驗;1938年，捷尼克在計算各種干涉條件下的光束強度中提出相干度的概念.應該説，所有這些研究成果都有助於認識受激輻射概念的實際意義.

1939年，法布里坎特在討論氣體放電的發光機理時，提出用實驗來證實負吸收的'存在，他分析了由負吸收產生光放大的可能性，以及由此所引起的光強度和方向性增加的問題.他根據拉登伯格發現的吸收係數、愛因斯坦係數與粒子數分佈的關係指出：要使輻射通過介質不但不衰減而且還要放大的話，必須實現粒子數反轉.法布里坎特的這一見解，是從愛因斯坦受激輻射理論向構思激光器技術原理邁出的極為重要的一步，因為它指出了產生激光的最重要的條件.

1946年，美國和英國幾乎發現氨分子譜線中的精細結構和超精細結構，並開始了微波波譜學的研究;1950年，卡斯特勒提出用抽運方法實現粒子數反轉的設想;1951年，珀塞爾和龐德在美國哈佛大學研究核磁共振時，第一次在實驗上用核磁共振實現負温度狀態.同年，物理學家湯斯首次提到實現微波受激放大的可能性，他設想用分子而不是用自由電子來實現微波放大，如果使處在微波激發態的氨分子數大於處在低能態的氨分子數，則受激發射就會佔優勢，於是能觀察到微波發射譜，並可能放大.1954年，湯斯等人成功地製成了氨分子激射器，共振頻率為23.87GHz(波長1.25cm)，功率為10-8W，這是實驗室內最早觀察到的微波分子發射譜，氨激射器是世界上第一台輻射的受激發射微波放大的裝置，簡稱脈塞(Maser).

1955年，前蘇聯物理學家巴索夫和普羅霍洛夫提出得到Maser的受激分子的另一種可能途徑，他們指出具有三個或四個能級的原子、分子系統，用高頻電磁波造成粒子數反轉，在高能態和居間能態之間或居間能態與低能態之間的躍遷頻率有可能得到放大.1956年，湯斯正式提出Maser能被無線電波甚至被光波泵浦.同年，美國科學家布羅貝爾金獨立地發現了三個能級泵浦方法，並建議能級固態Maser用Ni-Zn氟硅酸鹽和Ga-La乙基硫酸鹽.1956～1958年，三能級固體量子放大器問世，使釐米波和分米波的高靈敏度接收成為可能，並很快用於射電天文、雷達和宇宙通信的靈敏的低噪聲前置放大器.1958年12月，肖洛和湯斯在美國物理評論雜誌上發表文章，討論了諧振腔、工作物質和抽運方式等一系列問題，對他們所提出的在光波波段工作的量子放大器設計方案進行了詳細的理論分析，預言了採用法布里-珀羅干涉儀作為開式諧振腔的選模作用，以及激光的相干性、方向性、線寬和噪聲等性質.至此，把微波量子放大器擴展到光波波段的理論基礎和技術已基本完備，激光器這個現代科技的寵兒，即將臨產了.

1960年7月，休斯研究所的一個從事紅寶石微波量子放大器研製工作的年輕人梅曼，大體上按照肖洛和湯斯的設計構思，用一種裝有被氙放電管抽運紅寶石棒非常簡單的裝置，成功地製造並運轉了第一台激光器紅寶石脈衝激光器(工作波長為0.6943m).從此，小説家們所幻想的死光，在科學理論的指導和助產下，終於奇蹟般地出現了.

此後，激光又得到進一步的發展和應用.1961～1965年，激光光譜用於大氣污染分析，半導體激光器用於激光通信，CO2激光器用於激光熔鍊，激光切割激光鑽孔.1968～1969年，月球上設置激光反射器，地面與衞星聯繫.1982年，發明激光全息術.1980～1990年，激光外科手術、通信、光盤、激光武器等出現.

激光技術是現代物理學和現代科學技術相結合孕育出來的一門科學技術，它的發展歷史不僅充分顯示出物理科學理論對技術發明的預見性，而且它本身又作為現代科學技術家族中的一個優等生，也大大促進和推動着現代物理學和現代科學技術的發展.