连载 激光原理(周炳琨)第五版 绪言

绪 言
世界上第一台激光器的成功演示距今已经40 余年了。40 年来,激光科学技术以其强大的生命力谱写了一部典型的学科交叉的创造发明史。激光的应用已经遍及科技、经济、军事和社会发展的许多领域,远远超出了40 余年前人们原有的预想。在学习“激光原理”之前,回顾一下它的发展历史并展望未来是一件有意义的事情。

导致激光发明的理论基础可以追溯到1917 年,爱因斯坦在量子理论的基础上提出了一个崭新的概念:在物质与辐射场的相互作用中,构成物质的原子或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射或吸收。这就已经隐示了,如果能使组成物质的原子(或分子)数目按能级的热平衡(玻尔兹曼)分布出现反转,就有可能利用受激发射实现光放大(Laser:Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)。后来,理论物理学家又证明:受激发射光子(波)与激励光子(波)具有相同的频率、相位、方向和偏振。这些都为激光器(一种光波振荡器)的出现奠定了理论基础。但是,当时的科学技术和生产发展还没有提出这种实际的需求,所以激光也不可能凭空地被发明出来。直到20 世纪50 年代初,电子学、微波技术的应用提出了将无线电技术从微波(波长1cm 量级)推向光波(波长1μm 量级)的需求。这就需要一种能像微波振荡器一样的产生可以被控制的光波的振荡器,即激光器。这也就是当时光学技术迫切需要的强相干光源。虽然光波振荡器从本质上讲也是由光波放大和谐振腔两部分组成,但如果沿袭发展微波振荡器的老路-即在一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔中利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡-是很难实现光波振荡的。这时,少数目光敏锐又勇于创新的科学家:美国的汤斯、前苏联的巴索夫和普洛霍洛夫创造性的继承和发展爱因斯坦的理论,提出了利用原子、分子的受激辐射来

放大电磁波的新概念,并于1954 年第一次实现了氨分子微波量子振荡器(Maser)。由此诞生了一个新的学科:量子电子学。它抛弃了利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡的传统概念,开辟了利用原子(分子、离子)中的束缚电子与电磁场的相互作用来放大电磁波的新路。道路一经打开,人们立即开始了向光波量子振荡器(即激光器,Laser)的进军。1958 年,汤斯和他的年青合作者肖洛又摒弃了尺度必需和波长可比拟的封闭式谐振腔的老思路,提出了利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔(巧妙的借用传统光学中早有的Fabry-Perot 干涉概念!)实现激光器的新思想。布隆伯根提出了利用光泵浦(抽运)三能级原子系统实现原子数反转分布的新构思。之后,全世界许多研究小组参加了研制第一个激光器的竞赛。机遇偏爱有准备的头脑,当时美国休斯公司实验室的一位从事红宝石荧光研究的年青人梅曼敏锐的抓住机遇,勇于实践,使用今天看起来非常简单的方法,终于在1960 年7 月演示了世界第一台红宝石固态激光器。继而,全世界许多研究小组很快的重复了他的实验。实验证明激光(受激辐射光)确实具有理论预期的,完全不同于普通光(自发辐射光)的性质:单色性、方向性和相干性。这些独特性质加上由此而来的超高亮度、超短脉冲等性质使它已经而且必将深刻的影响当代科学、技术、经济和社会的发展及变革。1997 年,朱棣文、菲利普斯和塔诺季由于利用激光冷却和钳制原子的研究成果而共获诺贝尔奖。这样,前面提到的9 位科学家中,除梅曼外的8 位都因对激光技术的创造性贡献而先后获诺贝尔奖。

40 余年来,激光的发明不仅导致了一部典型的学科交叉的创造发明史,而且生动的体现了人的知识和技术创新活动是如何推动经济、社会的发展从而造福人类的物质与精神生活的。首先是具有不同学科和技术背景的一批发明家接二连三的发明了各种不同类型的激光器和激光控制技术。例如半导体(GaAs,InP 等)激光器,固体(Nd:YAG 等)激光器,气体原子(He-Ne 等)激光器,气体离子(Ar+等)激光器,气体CO2 分子激光器,气体准分子(XeCl,KrF 等)激光器,掺杂光纤放大器和激光器,光纤拉曼放大器和激光器,光学参量振荡及放大器,超短脉冲激光器,自由电子激光器,极紫外及X 射线激光器等。与此同时,各种科学和技术领域纷纷应用激光并形成了一系列新的交叉学科和应用技术领域,包括信息光电子技术,激光医疗与光子生物学,激光加工,激光检测与计量,激光全息技术,激光光谱分析技术,非线性光学,超快光子学,激光化学,量子光学,激光(测污)雷达,激光制导,激光分离同位素,激光可控核聚变,激光武器等等不胜枚举,也不可能在此一一介绍。下面仅就信息光电子技术的发展做一简要回顾。激光发明后,人们立即开始了研究它在信息技术(信息的传输、存储、处理和获取等)中的应用,但是却遇到了很大的技术困难。首先是普通激光器的体积大、效率低、寿命短,而早期的半导体激光器只能在低温下脉冲工作;

其次是没有一种理想的传输光的手段,因而信息光电子技术的发展经历了10 多年徘徊,等待着新的技术思想突破。20 世纪60 年代末到70 年代初.克雷歇尔和阿尔菲洛夫等提出了双异质结半导体激光器新构思并成功地实现了室温连续工作;高锟提出了基于光学全反射原理的光导纤维的创新概念并进而由康宁公司开发为实用产品。这两大技术思想突破,加上后来在此基础上出现的半导体量子阱光电子器件和光纤放大器等重大发明,促使光子和电子迅速结合并蓬勃发展为今天的信息光电子技术和产业。80 年代末掺铒光纤放大器的发明和迅速商业化使光纤通讯的格局发生了巨大的变革。光子以其极高的信息传输速率和容量,极快的信息处理速率,优越的信息并行处理与互连能力和巨大的信息存储能力补充了电子的不足并相互交叉融合,有力地促进了信息技术的发展。这里我们再一次看到了创造性思维在科学技术发展中的重要作用。

展望未来,激光在科学发展与技术应用两方面都还有巨大的机遇、挑战和创新的空间。在技术应用人面:以半导体量子阱激光器和光纤器件为基础的信息光电子技术将继续称为未来信息技术的基础之一,宽带光纤传输将组成全球通信基础设施的骨干网络,光纤接入网也将作为信息高速公路的神经末梢进入楼房或家庭,为人们提供高清晰度电视,远程教育、远程医疗等质高价廉的信息服务;光盘、全息以至更新型的信息存储技术将为此提供丰富的信息资源;光子技术将和微电子技术、微机械技术交叉融合形成微光机电技术。激光医疗与光子生物学在21 世纪的发展前景和重要性决不亚于信息光电子技术,激光和光纤(传像光纤和传能光纤)技术可能帮助找到攻克心血管病、癌症等危害人类的疾病的新方法,包括基于激光的诊断、手术和治疗。激光光谱分析和激光雷达技术将对环境保护和污染检测提供有力的手段。工业激光加工和计量将和工业机器人结合,对未来的制造业提供先进的、精密的、灵巧的特殊加工和测量手段。光纤传感技术和材料工程的交叉正在创造未来的灵巧结构材料(smart structure),它能感知并自动控制自己的应力、温度等状态,从而为未来的飞机、桥梁、水坝等结构提供安全的保障。

激光科学以及与激光密切相关的光子学正在孕育看突破性进展。在光和物质相互作用方面,本书只局限于线性相互作用的经典和半经典理论。但是,非线性和非经典(即量子)光学和技术看来将在未来世纪中扮演越来越重要的角色。量子光学主要研究光子的量子特性及其在与物质相互作用中出现的各种效应及其应用:例如由非线性过程产生的非经典光(压缩态光、光子数态光)及其在新型光通信、高精度测量等多领域的重要应用;基于光场与物质相互作用动量传递的激光冷却与俘获原子等技术将为科学与技术的众多领域提供一种前所未有的手段;腔量子电动力学研究光子与原子在尺寸与波长可比拟的微谐振腔中的相互作用,并导致微腔半导体激光器的出现。在这种激光器中,自发辐射得到增强,泵浦阈值大幅降低,并可在合适条件下产生非经典(压缩态等)光场;量子光学与信息科学的交叉正在形成光量子信息科学并期望取得信息技术的革命性突破。例如以光场的量子态作为信息单元(量子比特)的量子计算在理论上可以实现经典计算机所无法达到的信息处理功能;以光于数态作为信息载体的量子通信能提供其安全性由物理定律所确保的、不可破译、不可窃听的量子密码体系。自激光器发明以来,已发现了大量的非线性光学效应,特别是各种频率变换和非线性散射效应的研究促进了新的激光器和激光光谱分析技术的发展。展望未来,光与物质的非线性相互作用效应及其在各种非线性光子器件中的应用研究仍将是光子学的重要研究方向之一。例如光纤通信中的光纤非线性效应,光孤子的形成与传输以及未来全光通信网中的光子交换器件等。应当指出的是,许多重要的非线性光学效应是与超短激光脉冲技术或超快光子学的发展密切相关的。人们通过各种激光锁模技术和光脉冲压缩等技术,已经可以获得峰值功率达太瓦(TW,1012W )级的飞秒(fs,10-15s)激光脉冲,从而导致非线性光学领域一系列新效应、新方法、新应用的出现。例如高次谐波及飞秒软x 波段相干辐射助产生;由太瓦级飞秒激光脉冲经聚焦后产生的极高场强(大于原子内库仑场强)所引起的超快、超强激光物理现象;飞秒激光还为研究和探测物理,化学和生命科学中的超快过程提供了一种时间分辨率高达1015 s 的光探针。仅从以上几个重要方面已经可以看出,激光的未来发展确实充满着巨大的机遇、挑战和创新空间。

技术解答 管理员 2018-03-10 18:37 1楼
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http://www.laserhelp.cn/read-1296.html
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