激光历史

爱因斯坦在1916年首先描述了原子的受激辐射与自发辐射的关系。在此之后人们很长时间都在猜测,这个现象可否被用来加强光场,因为前提是介质必须存在着群数反转(或译居量反转)的状态。在一个纯粹的二级系统中,基于热力学的分配函数,这是不可能的达到的。故人们首先想到用三级系统,而且计算证实了辐射的稳定性。

 

1958年,美国科学家查尔斯·汤斯和阿瑟·肖洛发现了一种神奇的现象:当他们将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发时,都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此发表了重要论文,并分别获得1964年和1981年的诺贝尔物理学奖。

肖洛和汤斯的研究成果发表之后,各国科学家纷纷提出各种实验方案,但都未获成功。

 

1960年5月16日,美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。他的方案是,利用一个高强闪光灯管来刺激红宝石。红宝石在物理上是一种掺有铬原子的刚玉,当红宝石受到刺激时,就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔,使红光可以从这个孔溢出,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,这称为红宝石激光。当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度。

 

半导体激光器的发现:前苏联科学家尼古拉·巴索夫于1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由p层、n层和形成双异质结的有源层构成。其特点是:尺寸小、p合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。

 

在1980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,这些在小功率的CD和DVD光驱和光纤数据线中得到使用。

 

在1990年代,高功率的激光激发原理得到实现,比如片状激光和光纤激光。后者由于新的加工技术和20kW的高功率不断地被应用到材料加工领域中,从而部分的替代了CO2激光和Nd:YAG激光。

 

2000年代,激光的非线性得到利用,来制造X射线脉冲(来跟踪原子内部的过程);另一方面,蓝光和紫外线激光二极管已经开始进入市场。在2009年,中国研制出一种名为氟代硼铍酸钾(KBBF)的晶体,可用于激发深紫外线激光,一旦成功应用,可令每片光碟的容量超过1TB,亦使半导体上可储存的电路密度大幅提高。

 

现在,激光器已成为工业、通讯、科学及电子娱乐中的重要设备。