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激光是如何被研制出来的?

来源:科普中国

  发布:cici

关键词:激光 激光技术

2018-05-07

 

2002年4月7日,中国“神光二号”巨型激光器研制成功。你可知道,激光束如何被研制出来的呢?

激光是20世纪人类值得骄傲的重大发明之一,它是迄今性能最为优越的光源。自从20世纪60年代初激光被发明以来,迅速被应用于工业、军事、通信、医学、科研等各领域,给传统工业和经典技术以巨大冲击,产生大批高新工业和新的学科,影响了人类生活的方方面面。

激光是理论先于实践的典型代表。早在1916年,爱因斯坦在研究光和物质的相互作用时,就奠定了激光的理论基础。他提出激光的产生与原子的结构有关。在原子内部,存在原子核和核外电子,电子离原子核的距离越远,所具有的能量越高,这时我们称电子处于较高的能级。处于较高能级的电子可以自动“跳跃”到较低的能级,同时释放出特定频率的光子(光子的能量等于两个能级的能量差),称为自发辐射。如果有光子照射进原子,当光子能量正好等于电子高低能级的能量差时,处于高能级的电子将在入射光子影响下向低能级跃迁,同时发出一个与入射光子频率相同的光子出来,称为受激辐射。

自发辐射是随机过程,处于高能级的原子发射光子的时间是随机的,发出的光的相位、偏振、传播方向等参数是随机的,光子之间没有确定的联系,这正是大多数自然光源所处的状态。而受激辐射发出的光子的物理参数都与外来的光子相同,是近乎完美的光。我们可以这样类比,当外国侵略者入侵时,自发起来反抗入侵的游击队的武器、服装、人员组成都是杂乱无章的;而政府为应对入侵而正式征集的军队,其武器、服装和人员组成都非常统一。

虽然理论上预言了可以有受激辐射这样近乎完美的光,如何实现它却困扰了物理学家40多年,有人甚至一度认为这是不可能的。为什么会这样呢?

当光射入物质时,原子中处于低能级的电子会吸收光子,叫作受激吸收。在正常情况下,处于较高能级的电子数量远少于处于较低能级的电子数量,原子处于这样的状态才比较稳定。因此受激吸收总是强于受激辐射,从自然状态来看,光是被吸收的。要产生较强的受激辐射,必须想办法让处于高能级的电子多于处于低能级的电子,叫作粒子数反转。可如何才能实现它,大家都一筹莫展。

直到1951年,苦思多年的美国物理学家汤斯一天早晨等候买早餐时,才突然认识到,用热或电的方法,把能量泵入氨分子中,可以让它们处于激发状态,就可以用微波诱导它们发射出很强的“受激微波”,他立刻把这个想法记录在一个用过的信封背面。回到实验室,他把氨分子放在谐振腔内,利用振荡和反馈放大产生出来的受激辐射,于两年后成功实现了“受激辐射微波放大”(简称为微波激射)。几年之后,光学波段的受激辐射光源也被研制出来了。

 

同样,在光学波段,物理学家使用了其他物质来实现粒子数反转,比如氦—氖气体、二氧化碳气体、红宝石等。在这些物质中,通常存在三个或四个能级,包括一个基态和多个激发态,其中一个激发态很稳定,电子等粒子在这个能级上能停留较长时间,叫亚稳态。其他能级更高的激发态不稳定,粒子只能停留很短时间。在外界电源或者光源激励下,处于基态的粒子被抽运到较高的能级中,短暂停留后,粒子转移到亚稳态上,在这个能级上逐渐积累了大量粒子,比基态的粒子数还多,从而实现了粒子数反转。

如果现在有光子进入,当光子的频率为特定值时,它能引起亚稳态的大量粒子同时向基态跃迁,产生大量频率、相位、偏振态相同的光子,这就是受激辐射。

仅仅实现粒子数反转,还不足以制造出激光器。因为激光器的工作物质内原子自发辐射的初始光信号是杂乱无章的,在这些光信号的激励下得到的放大的受激辐射同样是随机的。为了得到方向单一、单色性很好的受激辐射,必须在工作物质两端放置相互平行的反射面,形成光学谐振腔。光线在两镜间来回反射,其中方向与镜面不垂直的光线逐渐被反射出去,只留下垂直于镜面的受激辐射光,这就是激光光束方向性很好的原因。光在谐振腔内来回反射过程中,工作介质使光线增强,从而形成强度很高的激光。

美国科学家梅曼利用改进的干涉谐振腔,采用红宝石作为工作物质,利用高强闪光灯光管来激发红宝石,于1960年5月获得了波长为694.3纳米的激光,此时距离爱因斯坦提出激光理论已经40多年了。