激光（Laser，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）技术，这个在现代科技中看似神秘而高深的词汇，实际上已经渗透进了我们的日常生活。无论是你在医院接受的激光治疗，还是在电影院观看的3D电影，激光技术都在悄悄地为我们提供便利。然而，激光技术的应用可不仅仅停留在娱乐和医疗领域，它在工业、通讯、材料加工等方面也发挥着至关重要的作用，尤其是在激光工艺技术的发展中，更是展现了其强大的生命力。本文主要讨论了激光工艺技术的发展历程。

引言

如果不了解光是一种电磁辐射形式，就不可能有激光。马克斯·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）因发现基本能量量子而于1918年获得诺贝尔物理学奖。普朗克从事的是热力学研究，他试图解释为什么“黑体”辐射（一种能吸收所有波长光的物体）在加热时并不能同样辐射出所有频率的光。在他于1900年发表的最重要的著作中，普朗克推导出了能量与辐射频率之间的关系，从本质上说，能量只能以离散的小块（他称之为量子）形式发射或吸收，即使这些小块非常小。他的理论标志着物理学的转折点，并启发了爱因斯坦等后起之秀。

1905年，爱因斯坦（Albert Einstein）发表了关于光电效应的论文，提出光也是以块状形式传递能量的，在这种情况下，离散的量子粒子现在被称为光子。1917年，爱因斯坦提出了使激光成为可能的过程——即受激发射。他的理论认为，除了自发吸收和发射光之外，电子还可以受激发射特定波长的光。但是，科学家们在近40年后才能够放大这些发射，从而证明爱因斯坦的观点是正确的，并使激光走上了今天成为无所不在的强大工具的道路。

激光的诞生密码：受激辐射的奇迹

原子，这个构成物质的基本单元，就像一个微观世界的 “能量调控站”。它内部存在着不同的能量等级，就好比一栋有多个楼层的大厦，每个楼层代表一个特定的能量状态。当原子从高能量楼层 “跌落” 到低能量楼层时，会释放出一份特定能量的光，这就是自发辐射，类似于从高处掉落的小球释放能量。而当一个光子 “闯入” 原子世界，被处于低能量状态的原子吸收后，原子就会 “跳跃” 到更高的能量楼层，这一过程称为受激吸收。更奇妙的是，处于高能量状态的原子在特定条件下，会受到外来光子的 “刺激”，不仅会回到低能量状态，还会释放出与外来光子一模一样的光子，这就是受激辐射。

想象一下，在一个充满镜子的房间里，有一个小球不断地反弹，每反弹一次就复制出一个相同的小球。当我们创造合适的条件（产生激光三要素），比如引入能提供能量的 “增益介质”(gain medium)、让光子来回反射的 “共振腔”(resonator)，以及提供初始动力的 “激发来源”(pumping source)，受激辐射产生的光子数量就会不断放大，最终形成强大且高度集中的激光束。

一台完整的激光器，就像一个精密协作的 “光生产车间”，由三个关键部分组成：

1.激励系统：它是整个系统的 “动力源”，通过光照、通电或者化学反应等方式，为增益介质中的原子提供能量，促使原子达到高能状态，就像给汽车加油让它能够启动。

2.激光物质：也就是增益介质，是产生激光的 “核心工厂”。不同的激光物质能产生不同特性的激光，比如氖气能产生特定波长的红光，半导体材料则可以根据设计产生不同颜色、功率

3.光学谐振腔：光学谐振腔堪称激光器的 “灵魂组件”，它由两面特殊的镜子构成。其中一面镜子几乎能将所有照射过来的光子反射回去，就像一面完美的镜子，让光子无法 “逃脱”；而另一面镜子则 “网开一面”，允许一小部分光子穿透出去，这穿透的光子流，就是我们最终获得的激光。

在这个 “光子运动场” 里，光子在两面镜子之间来回穿梭，每一次反射都会经过增益介质，刺激更多的原子产生受激辐射，生成大量相同的光子。这个过程就像滚雪球一样，光子数量不断增加，而且在两面镜子的约束下，只有沿着特定方向的光子能够持续反射、放大，最终形成方向高度一致、颜色纯净的激光束。可以说，光学谐振腔不仅决定了激光的强度，还精确筛选出了激光的方向和波长，让激光拥有了独特的 “个性”。

技术突破：从微波激射器到第一束激光

1954 年，美国物理学家查尔斯・汤斯（Charles Hard Townes）取得重大突破。他带领团队利用氨气作为工作物质，制造出世界上第一台微波激射器（MASER）。汤斯创造性地将分子束技术与谐振腔结合，实现了微波频段的受激辐射放大。这一成果不仅验证了受激辐射理论的可行性，更为后续激光技术发展奠定了坚实基础。

汤斯的同事阿瑟・肖洛（Arthur Schawlow）在激光理论方面同样贡献卓著。1958 年，他与汤斯合作发表论文，提出将微波激射器原理拓展到光频段的设想，并设计出开放式光学谐振腔结构，这种结构后来成为激光器的标准配置。肖洛的理论工作，让众多科学家看到了制造 "光学激射器" 的可能性。

1957 年，汤斯的助手戈登・古尔德（Gordon Gould）在笔记本上首次写下 "LASER"这个缩写词，并详细记录了激光的设计方案和潜在应用。他设想用强闪光灯泵浦红宝石，实现粒子数反转。这本带有公证印章的笔记本，后来成为他争夺激光发明权的重要依据。

历史性时刻：迈曼与第一台红宝石激光器

1960 年 5 月 16 日，休斯研究实验室的西奥多・迈曼（Theodore H. Maiman）成功制造出世界上第一台激光器。他选用合成红宝石作为工作物质，这种材料此前因荧光效率低不被看好，但迈曼发现，通过精确控制闪光灯的泵浦强度和脉冲宽度，能有效实现粒子数反转。

Maiman和他的红宝石激光器

迈曼的实验装置由一根螺旋形闪光灯和中间的红宝石棒组成，两端镀有反射膜构成谐振腔。当他启动设备，一道波长 694.3 纳米的深红色激光束射出，持续时间仅几毫秒。这看似短暂的闪光，却标志着人类首次实现了光频段的受激辐射放大。

在美国做出激光器后一年，也就是1961年秋，长春光机所的年轻科研人员王之江就在老师——王大珩院士指导下于1961年做出了中国第一台激光器。1964年10月，中国科学院长春光机所主办的《光受激发射情报》（其前身为《光量子放大专刊》）杂志编辑部致信钱学森，请他为LASER取一个中文名字，钱学森建议中文名为“激光”。同年12月，上海召开第三届光量子放大器学术会议，由严济慈主持，讨论后正式采纳钱学森的建议，将“通过辐射受激发射的光放大”的英文缩写LASER正式翻译为“激光”。随后，《光受激发射情报》杂志也改名为《激光情报》。

中国光学之父——王大珩院士

中国激光之父——王之江

我国第一台红宝石激光器

技术爆发：从实验室到产业化

1961 年，首批商用激光器开始推向市场，但早期设备存在体积庞大、价格昂贵等问题。一台红宝石激光器售价高达10万美元（相当于今天的 100 万美元），且需要专业技术人员操作，限制了其应用范围。

1962 年是激光技术发展的重要节点：贝尔实验室研制出钇铝石榴石（YAG）激光器，这种固体激光器性能更稳定；同年，尼克·霍洛尼亚克（Nick Holonyak Jr.） 发明红色激光二极管，为后来的光存储和光纤通信奠定基础。这些突破推动激光技术向小型化、实用化方向发展。

1970 年代，随着半导体技术进步，激光开始进入民用领域。1977 年，贝尔实验室完成首个光纤通信系统商业安装；1982 年，音频 CD 问世，激光首次应用于大众消费产品。到 1990 年代，光纤通信网络已覆盖全球，激光彻底改变了人类的信息传输方式。

应用拓展：重塑世界的神奇之光

1、激光核聚变：追逐 “人造太阳” 的炽热梦想

激光核聚变旨在模拟太阳内部的核聚变过程，利用高功率激光瞬间压缩燃料靶丸，引发核聚变反应释放巨大能量 。美国国家点火装置（NIF）堪称激光核聚变领域的 “巨无霸”。 2022 年 12 月，NIF 团队取得重大突破，首次实现核聚变反应的 “净能量增益”，即产生的能量超过了输入激光的能量 。这一成果由物理学家马克・赫尔曼（Mark Herrmann）领导的团队完成，此次成功标志着人类向实现可控核聚变能源迈出关键一步，也让 “人造太阳” 不再是遥不可及的梦想。

美国国家点火装置（NIF）

2、激光医疗：生命科学的 “温柔手术刀”

医疗领域的激光应用同样令人瞩目。眼科手术中，德国医生塞巴斯蒂安・席姆施（Sebastian Seimsch）是飞秒激光近视手术技术的重要推动者之一。飞秒激光能以 500 万亿分之一秒的速度切削角膜，帮助数百万近视患者重获清晰视力。在肿瘤治疗方面，激光光动力疗法（PDT）为癌症患者带来新希望。美国科学家托马斯・道格迪尔（Thomas Dougherty）是该疗法的先驱，他发现特定的光敏剂在激光照射下会产生活性氧，从而破坏肿瘤细胞。

3、激光加工：微观世界的 “精雕细琢”

在半导体芯片制造中，极紫外（EUV）激光光刻技术是生产 7 纳米及以下先进制程芯片的关键。阿斯麦（ASML）公司在光刻技术专家彼得・本尼迪克特（Peter Benedict）带领团队不断优化激光光源和光学系统，经过十多年努力，终于实现了极紫外光刻机EUV 激光光刻技术的突破，让芯片上的晶体管尺寸不断缩小，推动了半导体产业的飞速发展。在航空航天领域，激光加工技术为制造高精度零部件立下汗马功劳。空客公司在制造 A350 客机的机翼结构件时，采用激光焊接技术替代传统铆接工艺。工程师团队负责人丽莎・约翰逊（Lisa Johnson）带领团队研究激光焊接参数与材料特性的匹配关系，成功实现了无铆钉的激光焊接，使机翼结构强度提升 20%，重量减轻 15%。

“现代工业皇冠上的明珠”极紫外光刻机（EUV）

结语

在量子领域，激光正扮演核心角色。单光子激光器用于量子通信，实现绝对安全的数据传输；激光冷却技术助力量子计算机的量子比特制备。未来学家预测，激光驱动的核聚变反应堆有望在 2050 年前实现商业化，彻底解决能源问题。

从爱因斯坦的理论预言，到迈曼的实验突破；从价值百万美元的实验室设备，到无处不在的消费电子产品，激光技术的发展历程堪称一部波澜壮阔的科技史诗。这道神奇之光，不仅改变了人类的生产生活方式，更在持续拓展着我们对物理世界的认知边界。激光技术就像一把神奇的钥匙，不断开启未知世界的大门。在科学家们的不懈努力下，那些看似科幻的场景正逐渐走向现实。未来，随着量子光学、人工智能等前沿技术与激光技术的深度融合，我们有理由相信，这道神奇之光将继续创造奇迹，照亮人类探索宇宙、追寻真理、追求美好生活的漫漫征途，带领我们走向更加璀璨的明天。正如激光先驱汤斯所说："我们才刚刚开始发掘光的潜力。" 在可预见的未来，激光必将继续书写属于它的传奇篇章。（来源：SAIST上理格致青年，参考文献略 作者：何楷树、杨博申伟、武益智，2023级格致创新班本科生）