世界上最亮的光是激光。激光是20世紀(jì)以來(lái)繼核能、電腦、半導(dǎo)體之后，人類(lèi)的又一重大發(fā)明，被稱(chēng)為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”。原子受激輻射的光，故名“激光”。激光應(yīng)用很廣泛，主要有激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割、光纖通信、激光光譜、激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矯視、激光美容、激光掃描、激光滅蚊器等等。下面就跟360常識(shí)網(wǎng)一起具體看看世界上最亮的光等相關(guān)內(nèi)容。
“激光”的中文命名
1964年10月，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所主辦的《光受激發(fā)射情報(bào)》（其前身為《光量子放大專(zhuān)刊》）雜志部致信錢(qián)學(xué)森，請(qǐng)他為L(zhǎng)ASER取一個(gè)中文名字，錢(qián)學(xué)森建議中文名為“激光”。同年12月，上海召開(kāi)第三屆光量子放大器學(xué)術(shù)會(huì)議，由嚴(yán)濟(jì)慈主持，討論后正式采納錢(qián)學(xué)森的建議，將“通過(guò)輻射受激發(fā)射的光放大”的英文縮寫(xiě)LASER正式翻譯為“激光”。隨后，《光受激發(fā)射情報(bào)》雜志也改名為《激光情報(bào)》
激光原理
光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子，同時(shí)改變自身運(yùn)動(dòng)狀況的表現(xiàn)。微觀粒子都具有特定的一套能級(jí)（通常這些能級(jí)是分立的）。任一時(shí)刻粒子只能處在與某一能級(jí)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)（或者簡(jiǎn)單地表述為處在某一個(gè)能級(jí)上）。與光子相互作用時(shí)，粒子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)，并相應(yīng)地吸收或輻射光子。光子的能量值為此兩能級(jí)的能量差△E，頻率為ν=△E/h（h為普朗克常量）。
1.受激吸收（簡(jiǎn)稱(chēng)吸收）
處于較低能級(jí)的粒子在受到外界的激發(fā)（即與其他的粒子發(fā)生了有能量交換的相互作用，如與光子發(fā)生非彈
性碰撞），吸收了能量時(shí)，躍遷到與此能量相對(duì)應(yīng)的較高能級(jí)。這種躍遷稱(chēng)為受激吸收。
2.自發(fā)輻射
粒子受到激發(fā)而進(jìn)入的激發(fā)態(tài)，不是粒子的穩(wěn)定狀態(tài)，如存在著可以接納粒子的較低能級(jí)，即使沒(méi)有外界作用，粒子也有一定的概率，自發(fā)地從高能級(jí)激發(fā)態(tài)（E2）向低能級(jí)基態(tài)（E1）躍遷，同時(shí)輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率ν=（E2-E1）/h。這種輻射過(guò)程稱(chēng)為自發(fā)輻射。眾多原子以自發(fā)輻射發(fā)出的光，不具有相位、偏振態(tài)、傳播方向上的一致，是物理上所說(shuō)的非相干光。
3.受激輻射、激光
1917年愛(ài)因斯坦從理論上指出：除自發(fā)輻射外，處于高能級(jí)E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級(jí)。他指出當(dāng)頻率為ν=（E2-E1）/h的光子入射時(shí)，也會(huì)引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級(jí)E2躍遷到能級(jí)E1，同時(shí)輻射一個(gè)與外來(lái)光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為受激輻射。
可以設(shè)想，如果大量原子處在高能級(jí)E2上，當(dāng)有一個(gè)頻率ν=（E2-E1）/h的光子入射，從而激勵(lì)E2上的原子產(chǎn)生受激輻射，得到兩個(gè)特征完全相同的光子，這兩個(gè)光子再激勵(lì)E2能級(jí)上原子，又使其產(chǎn)生受激輻射，可得到四個(gè)特征相同的光子，這意味著原來(lái)的光信號(hào)被放大了。這種在受激輻射過(guò)程中產(chǎn)生并被放大的光就是激光。
愛(ài)因斯坦1917提出受激輻射，激光器卻在1960年問(wèn)世，相隔43年，為什么？主要原因是，普通光源中粒子產(chǎn)生受激輻射的概率極小。當(dāng)頻率一定的光射入工作物質(zhì)時(shí)，受激輻射和受激吸收兩過(guò)程同時(shí)存在，受激輻射使光子數(shù)增加，受激吸收卻使光子數(shù)減小。物質(zhì)處于熱平衡態(tài)時(shí)，粒子在各能級(jí)上的分布，遵循平衡態(tài)下粒子的統(tǒng)計(jì)分布律。按統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，處在較低能級(jí)E1的粒子數(shù)必大于處在較高能級(jí)E2的粒子數(shù)。這樣光穿過(guò)工作物質(zhì)時(shí)，光的能量只會(huì)減弱不會(huì)加強(qiáng)。要想使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，必須使處在高能級(jí)E2的粒子數(shù)大于處在低能級(jí)E1的粒子數(shù)。這種分布正好與平衡態(tài)時(shí)的粒子分布相反，稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，簡(jiǎn)稱(chēng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件。
理論研究表明，任何工作物質(zhì)，在適當(dāng)?shù)募?lì)條件下，可在粒子體系的特定高低能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。若原子或分子等微觀粒子具有高能級(jí)E2和低能級(jí)E1，E2和E1能級(jí)上的布居數(shù)密度為N2和N1，在兩能級(jí)間存在著自發(fā)發(fā)射躍遷、受激發(fā)射躍遷和受激吸收躍遷等三種過(guò)程。受激發(fā)射躍遷所產(chǎn)生的受激發(fā)射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干輻射場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的受激發(fā)射光是相干的。受激發(fā)射躍遷幾率和受激吸收躍遷幾率均正比于入射輻射場(chǎng)的單色能量密度。當(dāng)兩個(gè)能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重相等時(shí)，兩種過(guò)程的幾率相等。在熱平衡情況下N2N1，這種狀態(tài)稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。在這種情況下，受激發(fā)射躍遷占優(yōu)勢(shì)。光通過(guò)一段長(zhǎng)為l的處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光工作物質(zhì)（激活物質(zhì)）后，光強(qiáng)增大eGl倍。G為正比于（N2-N1）的系數(shù)，稱(chēng)為增益系數(shù)，其大小還與激光工作物質(zhì)的性質(zhì)和光波頻率有關(guān)。一段激活物質(zhì)就是一個(gè)激光放大器。如果，把一段激活物質(zhì)放在兩個(gè)互相平行的反射鏡（其中至少有一個(gè)是部分透射的）構(gòu)成的光學(xué)諧振腔中（圖1），處于高能級(jí)的粒子會(huì)產(chǎn)生各種方向的自發(fā)發(fā)射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外：軸向傳播的光波卻能在腔內(nèi)往返傳播，當(dāng)它在激光物質(zhì)中傳播時(shí)，光強(qiáng)不斷增長(zhǎng)。如果諧振腔內(nèi)單程小信號(hào)增益G0l大于單程損耗δ（G0l是小信號(hào)增益系數(shù)），則可產(chǎn)生自激振蕩。原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分為不同的能級(jí)，當(dāng)原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，會(huì)釋放出相應(yīng)能量的光子（所謂自發(fā)輻射）。
歷史沿革
激光的理論基礎(chǔ)起源于物理學(xué)家愛(ài)因斯坦，1917年愛(ài)因斯坦提出了一套全新的技術(shù)理論‘光與物質(zhì)相互作用’。這一理論是說(shuō)在組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)量的粒子（電子）分布在不同的能級(jí)上，在高能級(jí)上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會(huì)從高能級(jí)跳到（躍遷）到低能級(jí)上，這時(shí)將會(huì)輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個(gè)弱光激發(fā)出一個(gè)強(qiáng)光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡(jiǎn)稱(chēng)激光。
1951年，美國(guó)物理學(xué)家查爾斯·哈德·湯斯設(shè)想如果用分子，而不用電子線路，就可以得到波長(zhǎng)足夠小的無(wú)線電波。分子具有各種不同的振動(dòng)形式，有些分子的振動(dòng)正好和微波波段范圍的輻射相同。問(wèn)題是如何將這些振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛�。就氨分子�?lái)說(shuō)，在適當(dāng)?shù)臈l件下，它每秒振動(dòng)24，000，000，000次（24GHz），因此有可能發(fā)射波長(zhǎng)為1.25厘米的微波。他設(shè)想通過(guò)熱或電的方法，把能量泵入氨分子中，使它們處于“激發(fā)“狀態(tài)。然后，再設(shè)想使這些受激的分子處于具有和氨分子的固有頻率相同的微波束中---這個(gè)微波束的能量可以是很微弱的。一個(gè)單獨(dú)的氨分子就會(huì)受到這一微波束的作用，以同樣波長(zhǎng)的束波形式放出它的能量，這一能量又繼而作用于另一個(gè)氨分子，使它也放出能量。這個(gè)很微弱的入射微波束相當(dāng)于起立腳點(diǎn)對(duì)一場(chǎng)雪崩的促發(fā)作用，最后就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的微波束。最初用來(lái)激發(fā)分子的能量就全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N特殊的輻射。
1953年12月，湯斯和他的學(xué)生阿瑟·肖洛終于制成了按上述原理工作的的一個(gè)裝置，產(chǎn)生了所需要的微波束。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“受激輻射的微波放大”。按其英文的首字母縮寫(xiě)為M.A.S.E.R,并由之造出了單詞“maser”（脈澤）（這樣的單詞稱(chēng)為首字母縮寫(xiě)詞，在技術(shù)語(yǔ)中越來(lái)越普遍使用）。
1958年，美國(guó)科學(xué)家肖洛（Schawlow）和湯斯（Townes）發(fā)現(xiàn)了一種神奇的現(xiàn)象：當(dāng)他們將氖光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時(shí)，晶體的分子會(huì)發(fā)出鮮艷的、始終會(huì)聚在一起的強(qiáng)光。根據(jù)這一現(xiàn)象，他們提出了"激光原理"，即物質(zhì)在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激發(fā)時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生這種不發(fā)散的強(qiáng)光--激光。他們?yōu)榇税l(fā)表了重要論文，并獲得1964年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
1960年5月15日，美國(guó)加利福尼亞州休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家梅曼宣布獲得了波長(zhǎng)為0.6943微米的激光，這是人類(lèi)有史以來(lái)獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家。
1960年7月7日，西奧多·梅曼宣布世界上第一臺(tái)激光器誕生，梅曼的方案是，利用一個(gè)高強(qiáng)閃光燈管，來(lái)激發(fā)紅寶石。由于紅寶石其實(shí)在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉，所以當(dāng)紅寶石受到刺激時(shí)，就會(huì)發(fā)出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鉆一個(gè)孔，使紅光可以從這個(gè)孔溢出，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時(shí)，可使其達(dá)到比太陽(yáng)表面還高的溫度。
前蘇聯(lián)科學(xué)家尼古拉·巴索夫于1960年發(fā)明了半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)通常由p層、n層和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源層構(gòu)成。其特點(diǎn)是：尺寸小、耦合效率高、響應(yīng)速度快、波長(zhǎng)和尺寸與光纖尺寸適配、可直接調(diào)制、相干性好。
分類(lèi)
激光系統(tǒng)可分為連續(xù)波激光器和脈沖激光器。
大事年表
1917年：愛(ài)因斯坦提出“受激發(fā)射”理論，一個(gè)光子使得受激原子發(fā)出一個(gè)相同的光子。
1953年：美國(guó)物理學(xué)家Charles Townes用微波實(shí)現(xiàn)了激光器的前身：微波受激發(fā)射放大（英文首字母縮寫(xiě)maser）。
1957年：Townes的博士生Gordon Gould創(chuàng)造了“l(fā)aser”這個(gè)單詞，從理論上指出可以用光激發(fā)原子，產(chǎn)生一束相干光束，之后人們?yōu)槠渖暾?qǐng)了專(zhuān)利，相關(guān)法律糾紛維持了近30年。
1960年：美國(guó)加州Hughes實(shí)驗(yàn)室的Theodore Maiman實(shí)現(xiàn)了第一束激光。
1961年：激光首次在外科手術(shù)中用于殺滅視網(wǎng)膜腫瘤。
1962年：發(fā)明半導(dǎo)體二極管激光器，這是今天小型商用激光器的支柱。
1969年：激光用于遙感勘測(cè)，激光被射向阿波羅11號(hào)放在月球表面的反射器，測(cè)得的地月距離誤差在幾米范圍內(nèi)。
1971年：激光進(jìn)入藝術(shù)世界，用于舞臺(tái)光影效果，以及激光全息攝像。英國(guó)籍匈牙利裔物理學(xué)家Dennis Gabor憑借對(duì)全息攝像的研究獲得諾貝爾獎(jiǎng)。
1974年：第一個(gè)超市條形碼掃描器出現(xiàn)。
1975年：IBM投放第一臺(tái)商用激光打印機(jī)。
1978年：飛利浦制造出第一臺(tái)激光盤(pán)（LD）播放機(jī)，不過(guò)價(jià)格很高。
1982年：第一臺(tái)緊湊碟片（CD）播放機(jī)出現(xiàn)，第一部CD盤(pán)是美國(guó)歌手Billy Joel在1978年的專(zhuān)輯52nd Street。
1983年：里根總統(tǒng)發(fā)表了“星球大戰(zhàn)”的演講，描繪了基于太空的激光武器。
1988年：北美和歐洲間架設(shè)了第一根光纖，用光脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。
1990年：激光用于制造業(yè)，包括集成電路和汽車(chē)制造。
1991年：第一次用激光治療近視，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中第一次用激光制導(dǎo)導(dǎo)彈。
1996年：東芝推出數(shù)字多用途光盤(pán)（DVD）播放器。
2008年：法國(guó)神經(jīng)外科學(xué)家使用廣導(dǎo)纖維激光和微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)治療了腦瘤。
2010年：美國(guó)國(guó)家核安全管理局（NNSA）表示，通過(guò)使用192束激光來(lái)束縛核聚變的反應(yīng)原料、氫的同位素氘（質(zhì)量數(shù)2）和氚（質(zhì)量數(shù)3），解決了核聚變的一個(gè)關(guān)鍵困難。
2011年3月，研究人員研制的一種牽引波激光器能夠移動(dòng)物體，未來(lái)有望能移動(dòng)太空飛船。
2013年1月，科學(xué)家已經(jīng)成功研制出可用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)的牽引光束。
2014年6月5日美國(guó)航天局利用激光束把一段時(shí)長(zhǎng)37秒、名為“你好，世界！”的高清視頻，只用了3.5秒就成功傳回，相當(dāng)于傳輸速率達(dá)到每秒50兆，而傳統(tǒng)技術(shù)下載需要至少10分鐘。
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