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激光器

物理学家在研究原子结构时发现了激光。激光器问世以来,激光的应用已经遍及工、农、科研、国防各个领域,激光科学技术成为当代发展最快的科技领域之一。

1913年,丹麦物理学家玻尔提出,原子能够以一系列能级不同的状态存在,并且只能从一个能级跳跃到另一个能级。一个低能级的原子,吸收能量之后可以变为高能级;高能级的原子变为低能级时,会以辐射的形式把多余的能量放出来(自发辐射)。

1917年爱因斯坦提出,原子从较高的能级跳跃到低能级时可以通过自发辐射或受激辐射两种不同的方式来实现。普通光源的发光主要就是自发辐射;处在激发态的原子在其他某种作用之下,例如光照,引起原子跃迁,原子受迫发光,原子的这种发光方式称为受激辐射。

受激辐射理论提出来之后,并不受人重视,30年之后,直到1951年,美国物理学家汤斯对此发生兴趣。一天他散步之后,坐在公园的长凳上默默思考这一问题,突然间他产生一种新的想法:在正常情况下,物质的多数分子均处于低能态,能否改变这一状况,使多数分子处于高能态,然后用微波照射这些分子,使其受激而发射能量,这就产生了放大作用。这种使一个容器里的原子或分子大部分转入高能量的过程叫作粒子数反转,它是量子放大器和激光器进行工作的必要条件。他当即在一个信封的背面勾画出一些基本的设计要求,经过3年的多次实验,微波受激放大器(量子放大器)终于研制成功。早期的微波受激放大器是一个金属小盒,盒里充进处于激发态的氨分子。当微波射入这个充满了受激态氨分子的盒子时,就发出一束纯而强的高频微波射束。

苏联科学家巴索夫和普罗克哈罗夫也独立地进行过类似的工作,并取得成功。1964年,汤斯、巴索夫、普罗克哈罗夫同获诺贝尔物理学奖。

随着量子放大器的发展,人们开始考虑将这些原理从微波波段扩展到光波波段的可能性。

1958年汤斯和肖洛提出了激光器的第一个理论方案。他们建议,用具有放大作用的物质制成一根细长的柱体,它的两端有互相平行的反射镜,其中一面反射镜为全反射镜,另一面为部分反射镜,光就沿着柱体来回地反射,形成一个光频共振腔。

世界上第一台激光器是1960年由美国的梅曼博士研制成功的。他用红宝石单晶作为工作物质,两个端面磨平并镀银。红宝石的主要成分是氧化铝,其晶格中有一小部分铝原子被铬原子所替代,当作为激励源的氙灯发出强光照射红宝石时,红宝石中的铬原子吸收绿光和蓝光,由基态跃迁到激发态.造成粒子数反转。第一台激光器,输出功率为10000瓦,其晶棒十分纯净,是用人工方法生产的,发出的激光强度为阳光的1000万倍。

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