激光五十年报告会
- 来源:微型计算机Geek
- 关键字:激光
- 发布时间:2010-08-12 16:36
Mr.肖洛&Mr.汤斯
感谢《Geek》，感谢Mr. Schawlow（肖洛）和Mr. Towne（汤斯）！如果没有后两位大叔的发现和理论，激光恐怕没这么快现身人间。
1958年，他俩发现了一种神奇的现象：当用氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了“激光原理”，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，都会产生这种不发散的强光—激光（但直到两年后，第一束激光才被制造出来）。1964年，他俩因此获得了诺贝尔物理奖。
1960年5月16日，加利福尼亚州马里布休斯研究实验室。西奥多.梅曼（Theodore H.M a i m a n）正在建造一台小型的激光发生器。这以前已经有很多人尝试了，但没有成功者。这次他使用了一块红宝石棒。在一块指尖大小的红宝石晶体的两个平行面上镀银，把它插入一支螺旋形的闪光灯中间，然后把它们一起放在一个铝制的圆筒腔里。
在闪光灯闪动的那一瞬，红宝石棒中射出了世界上第一条红色的高亮、高纯与完全没有发散的极细光柱。他成功了！感谢国家，感谢上帝！
正如20世纪40年代冯.诺依曼的计算机标准体系一样，梅曼发现了能够产生激光的基本体系：“激发源”—高频闪光灯，“增益介质”—红宝石棒，“共振腔”—镀银反光镜镀层。之后的激光器无论是什么样子的，基本都遵从这三要素，并开始在地球这个蓝色家园安家、繁衍，写下了很多很多的故事。
就在梅曼宣布发明了第一台激光器之后，前苏联科学家尼古拉.巴索夫据此原理也发明了半导体激光器。但直到20世纪80年代后期，半导体技术使得更高效而耐用的半导体激光二极管成为可能，半导体激光才在小功率的CD和DVD光驱以及光纤通讯中得到使用，我们均从中受益。
20世纪90年代，高功率激光激发原理得到实现，使激光切割、激光武器成为可能。
21世纪，蓝光和紫外线激光二极管开始进入市场，大容量的蓝光光盘让我们可以在家中获得媲美电影胶片的高清电视体验。
......
激光是怎样射出的
Tips
“激光”的由来
1961年，中国内地第一台激光器在中科院长春光机所研制成功。但当时中文里并没有激光一词，中国科学界对它（英文Light Amplification of Stimulated Emission ofRadiation缩写为LASER）的翻译多种多样，例如“光的受激辐射放大器”、“光量子放大器”。还有一些音译，如“莱塞”或者“镭射”。1964年冬天，中国全国第三届光量子放大器学术报告会在上海召开，会议召开前，《光受激发射情报》杂志编辑部给中国著名科学家钱学森写了一封信，请他给Laser取一个中文名字。不久，钱学森就回信给编辑部，建议命名为“激光”。Laser一词从此有了统一而有意义的汉语名称。
很显然，激光打是打不出来的。关于激光的原理，早在1917年，大神爱因斯坦已经从理论上指出，但要读懂那一套充满各种数学符号的方程式，恐怕非我等学识之人所能及。不过我们也可以生活化的例子来理解，故事是这样滴：
张三、李四、王五三人相约斗地主。张三洗牌，李四拿到地主。
第一轮，李四走一张红桃三，王五不要，张三放出一张红桃四。
李四以大王封杀，无人能接。
李四又打出一对2，两人摇头。
李四打出三个A，两人苦笑。
李四打出四个K，两人掩面。
......
最后，李四放出一把连牌，打完收工！其实输家只有王五，因为李四在这把牌中出了老千，而主角则是洗牌的张三。你可以认为是张三在洗牌时做了手脚，也可能是在出牌过程中给了对方支援。
激光大致也是这样射出的。物体发光的本质就是光子能量的释放，在单个光子能量一定的情况下，光子越多，越明亮。激光就是在光子雪崩式的集中爆发中产生的。
这与李四同学从一张牌到一把牌的酣畅“玩法”是一致的。要造出激光，首先需要张三这样的人用高超的技术预先把某些大牌洗给李四（物理上称为将低能级电子泵浦至高能级），然后用一张可以激发李四连锁抛牌的牌来刺激李四（称为激发源），然后在桌下源源不断地将李四需要的牌都换给他（共振）。在此激发下，李四获得了升华，几秒钟内朝一个方向发完了手中所有的牌（单一方向、雪崩式光子产生的高亮激光）。
具体到真正的激光器，首先需要激发源（pumping source），它的作用是引发激光并提供给增益介质（gain medium）能量，以保证激光的持续输出。激发源可以是光（如梅曼所用的高频闪光灯），也可以是电（如激光二级管），还可以是化学能以及核能等。
增益介质又称光放大器，它负责转换外界能量到光电子身上，并让整个介质持续不断的充满高能光电子，以便在激发源的诱导下不停发生连锁反应。
共振腔（resonator）是两面相互平行的镜子，一面全反射，一面半反射（如90%反射），作用是把光线在反射镜间来回反射，当放大到可以穿透半反射镜时，激光便从半反射镜发射出去。共振腔负责挑选需要的单色光，滤除杂质，并让雪崩过程在共振腔内饱和发生，以保证输出激光始终是稳定的。
由此可见，激光这东西涉及到的学科实在太多了，家中基本是很难DIY的，如需刨根问底，可以花费5元钱去电子市场购买一只山寨激光笔研究。
激光的斧钺钩叉
光剑会有的，光传送会有的冷兵器时代都还有斧钺钩叉18种款式，代表着高科技的激光器自然门类也不在少数。一般可分为固体、气体、液体、半导体和染料等几种类型：
.固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。如：Nd：YAG激光器。Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝石榴石，晶体结构与红宝石相似。
.半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，发展迅速。
.气体激光器以气体为工作物质，结构简单、造价低廉、操作方便，并且性能出色，在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。激励方式有电能、热能、化学能、光能、核能等多种。
.以液体染料为工作物质的染料激光器于1966年问世，广泛应用于各种科学研究领域。现在已发现的能产生激光的染料大约在500种左右。突出特点是波长连续可调。染料激光器种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体激光器相媲美，应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。
在我们向大家展示激光现在和未来充满传奇色彩的功能之前，请大家齐声跟我朗读本节标题。早在1976年代的《星球大战》中，乔治.卢卡斯就向我们展示了充满魔力的绝地武士武器—光剑，而系列电影《星际迷航》则带来了“光传送”的奇思妙想，未来，这些或许都不是神话，它们的部分或者原型产品已经在试验中了。
……
感谢《Geek》，感谢Mr. Schawlow（肖洛）和Mr. Towne（汤斯）！如果没有后两位大叔的发现和理论，激光恐怕没这么快现身人间。
1958年，他俩发现了一种神奇的现象：当用氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了“激光原理”，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，都会产生这种不发散的强光—激光（但直到两年后，第一束激光才被制造出来）。1964年，他俩因此获得了诺贝尔物理奖。
1960年5月16日，加利福尼亚州马里布休斯研究实验室。西奥多.梅曼（Theodore H.M a i m a n）正在建造一台小型的激光发生器。这以前已经有很多人尝试了，但没有成功者。这次他使用了一块红宝石棒。在一块指尖大小的红宝石晶体的两个平行面上镀银，把它插入一支螺旋形的闪光灯中间，然后把它们一起放在一个铝制的圆筒腔里。
在闪光灯闪动的那一瞬，红宝石棒中射出了世界上第一条红色的高亮、高纯与完全没有发散的极细光柱。他成功了！感谢国家，感谢上帝！
正如20世纪40年代冯.诺依曼的计算机标准体系一样，梅曼发现了能够产生激光的基本体系：“激发源”—高频闪光灯，“增益介质”—红宝石棒，“共振腔”—镀银反光镜镀层。之后的激光器无论是什么样子的，基本都遵从这三要素，并开始在地球这个蓝色家园安家、繁衍，写下了很多很多的故事。
就在梅曼宣布发明了第一台激光器之后，前苏联科学家尼古拉.巴索夫据此原理也发明了半导体激光器。但直到20世纪80年代后期，半导体技术使得更高效而耐用的半导体激光二极管成为可能，半导体激光才在小功率的CD和DVD光驱以及光纤通讯中得到使用，我们均从中受益。
20世纪90年代，高功率激光激发原理得到实现，使激光切割、激光武器成为可能。
21世纪，蓝光和紫外线激光二极管开始进入市场，大容量的蓝光光盘让我们可以在家中获得媲美电影胶片的高清电视体验。
......
激光是怎样射出的
Tips
“激光”的由来
1961年，中国内地第一台激光器在中科院长春光机所研制成功。但当时中文里并没有激光一词，中国科学界对它（英文Light Amplification of Stimulated Emission ofRadiation缩写为LASER）的翻译多种多样，例如“光的受激辐射放大器”、“光量子放大器”。还有一些音译，如“莱塞”或者“镭射”。1964年冬天，中国全国第三届光量子放大器学术报告会在上海召开，会议召开前，《光受激发射情报》杂志编辑部给中国著名科学家钱学森写了一封信，请他给Laser取一个中文名字。不久，钱学森就回信给编辑部，建议命名为“激光”。Laser一词从此有了统一而有意义的汉语名称。
很显然，激光打是打不出来的。关于激光的原理，早在1917年，大神爱因斯坦已经从理论上指出，但要读懂那一套充满各种数学符号的方程式，恐怕非我等学识之人所能及。不过我们也可以生活化的例子来理解，故事是这样滴：
张三、李四、王五三人相约斗地主。张三洗牌，李四拿到地主。
第一轮，李四走一张红桃三，王五不要，张三放出一张红桃四。
李四以大王封杀，无人能接。
李四又打出一对2，两人摇头。
李四打出三个A，两人苦笑。
李四打出四个K，两人掩面。
......
最后，李四放出一把连牌，打完收工！其实输家只有王五，因为李四在这把牌中出了老千，而主角则是洗牌的张三。你可以认为是张三在洗牌时做了手脚，也可能是在出牌过程中给了对方支援。
激光大致也是这样射出的。物体发光的本质就是光子能量的释放，在单个光子能量一定的情况下，光子越多，越明亮。激光就是在光子雪崩式的集中爆发中产生的。
这与李四同学从一张牌到一把牌的酣畅“玩法”是一致的。要造出激光，首先需要张三这样的人用高超的技术预先把某些大牌洗给李四（物理上称为将低能级电子泵浦至高能级），然后用一张可以激发李四连锁抛牌的牌来刺激李四（称为激发源），然后在桌下源源不断地将李四需要的牌都换给他（共振）。在此激发下，李四获得了升华，几秒钟内朝一个方向发完了手中所有的牌（单一方向、雪崩式光子产生的高亮激光）。
具体到真正的激光器，首先需要激发源（pumping source），它的作用是引发激光并提供给增益介质（gain medium）能量，以保证激光的持续输出。激发源可以是光（如梅曼所用的高频闪光灯），也可以是电（如激光二级管），还可以是化学能以及核能等。
增益介质又称光放大器，它负责转换外界能量到光电子身上，并让整个介质持续不断的充满高能光电子，以便在激发源的诱导下不停发生连锁反应。
共振腔（resonator）是两面相互平行的镜子，一面全反射，一面半反射（如90%反射），作用是把光线在反射镜间来回反射，当放大到可以穿透半反射镜时，激光便从半反射镜发射出去。共振腔负责挑选需要的单色光，滤除杂质，并让雪崩过程在共振腔内饱和发生，以保证输出激光始终是稳定的。
由此可见，激光这东西涉及到的学科实在太多了，家中基本是很难DIY的，如需刨根问底，可以花费5元钱去电子市场购买一只山寨激光笔研究。
激光的斧钺钩叉
光剑会有的，光传送会有的冷兵器时代都还有斧钺钩叉18种款式，代表着高科技的激光器自然门类也不在少数。一般可分为固体、气体、液体、半导体和染料等几种类型：
.固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。如：Nd：YAG激光器。Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝石榴石，晶体结构与红宝石相似。
.半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，发展迅速。
.气体激光器以气体为工作物质，结构简单、造价低廉、操作方便，并且性能出色，在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。激励方式有电能、热能、化学能、光能、核能等多种。
.以液体染料为工作物质的染料激光器于1966年问世，广泛应用于各种科学研究领域。现在已发现的能产生激光的染料大约在500种左右。突出特点是波长连续可调。染料激光器种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体激光器相媲美，应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。
在我们向大家展示激光现在和未来充满传奇色彩的功能之前，请大家齐声跟我朗读本节标题。早在1976年代的《星球大战》中，乔治.卢卡斯就向我们展示了充满魔力的绝地武士武器—光剑，而系列电影《星际迷航》则带来了“光传送”的奇思妙想，未来，这些或许都不是神话，它们的部分或者原型产品已经在试验中了。
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