奇异的激光世界—上卷：激光及应用

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1、第一章激光之源一激光之父爱因斯坦（1879—1955年）的相对论使人们改变了对整个世界的看法。简单讲来，相对论认为，字宙的最高速度的光速；质量随速度增加；坐钟在空间转动的速率随速度的加快而减少；能量和质量遵从下述关系：能量=质量×光速2。这从后来原子裂变的过程中得到证实。然而，激光与爱因斯坦之间的关系如何？并不是每一个人都很了解的。关于微波激射器与激光器的基础理论，早在1917年，爱因斯坦就对物质的发光机制作了深入研究，在研究原子系统与辐射场相互作用的微观过程时，提出了受激发射的概念。受激发射是微波激射器和激光器得以发明的理论依据，为40年后的“光源

2、革命”开了先河。爱因斯坦受激发射理论的基本内容是，假设某微观粒子（原子、分子或离子）有两个分立能级，高能级能量为E2，代能级能量为E1，能级上的粒子数密度分别为N2或N1，考虑到粒子与电磁场相互作用时，爱因斯坦指出，存在三种类型能级跃迁：a）自发发射。处于高能级上粒子在不受外界电磁场作用下，自发地跃迁到低能级并发射能量为hv=E2-E1的光子；b）受激吸收。如果频率为v=（E2-E1）/h的电磁波与处在E1上的粒子相互作用，则粒子可吸收入射电磁波而跃迁到高能级E2上；c）受激发射。如果频率为V的电磁波与处于高能级E2上的粒子相互作用，粒子将从高能级跃

3、迁到低能级E1上而发射一个与入射电磁波频率相同的光子。受激发射的光子与入射电磁波具有相同的频率、位相、偏振和传播方向，它们是相干的。爱因斯坦又指出，受激发射和受激吸收过程是同时存在的，并且跃迁几率相等。按照玻耳兹曼分布规律，在热平衡条件下，处于低能级上的粒子数N1多于高能级上的粒子数N2，这时受激吸收总是大于受激发射，所以通常只能观察到受激吸收而观察不到受激发射现象。由于那时的客观条件限制，人们还看不到受激发射理论在实践中的应用，爱因斯坦的这一颇具建树的首创性激光理论，未能引起人们重视。后来的实践证明，爱因斯坦提出的激光理论具有划时代的先驱业绩，因而

4、功不可灭。爱因斯坦被人们誉为“激光之父”，乃当之无愧，受之有理！二后学助威第二次世界大战后，日臻成熟的微波电子技术促进了微波波谱学的发展，同时人们对物质微观结构也有了较深入的了解，而一些实验与理论上的问题，如在光谱学的研究中所观察到的许多超精细结构也急待加以解释，这些都促成了微波量子电子学的诞生。几年时间里，人们发现了一系列磁共振现象。1946年，布洛赫在做核感应实验时，观察到微波辐射和工作物质间的共振信号，并首次观察到粒子数反转（即N2＞N1）的实验现象。1951年，一些科学家在美国华盛顿讨论如何发展比激波频率高的辐射的应用于通信及其他领域的问题，

5、汤斯对此十分感兴趣。他设想用某种方法破坏热平衡分布，使多数分子处于较高能级，然后用微波照射这些分子使其受激而辐射能量，这就可以起到放大电磁波作用，最后再把一部分发射的电磁波反馈到仪器中去激发处于高能级的分子，便可能形成振荡。他与另两位助手经过三年试验，经于研制成功了最早的微波激射器——氨分子量子振荡器。苏联的巴索夫和普罗霍洛夫几乎与汤斯同时也独立研制出氨分子微波激射器。从微波激射器到光激射器有许多新的问题需要解决，其中一个重要的问题是光频谐振腔的设计与制造。根据电磁学原理，为了在谐振腔内保持单一模式振荡，腔的尺寸应与电磁波波长具有相同数量级。光波波长

6、比微波波长小四、五个数量级，制造尺寸与光波波长（A即10—8厘米的数量级）相当的谐振腔在技术上几乎是不可能的，因此，必须寻找一种新的解决办法和途径。1958年，科学家肖洛和汤斯在一篇著名文章中讨论了由微波激射器到激光器所存在的问题，指出了使光源转变成的受激发射为主的可能性，给出了应该满足的条件，并提出了解决问题的建议。他们建议，使用一种叫法布里—珀罗干涉仪形式的两个平行平面镜作光频谐振腔，使振荡维持一个或少数几个模式。这是从微波激射器到激光器发展过程中关键的一步。汤斯和肖洛在最初的考虑中，建议用钾蒸气作激光工作物质，用钾光谱灯作激励光源。当时，他们也

7、分析了红宝石的几条荧光谱线，认为红宝石的R1线很难实现受激发射，因为这条线终止于基态，不易实现能级间粒子数反转分布。尽管如此，他们的这一重要启示，很快在科技领域内激起了一股研究激光器的狂潮，相继出现了各种各样的实验方案。无疑，汤斯等人的研究成果，已将激光技术的研究与实验向前大大地推进了一步。三世界首台激光器的诞生美国休斯顿实验室的梅曼教授，在研究激光技术的进程中，提出了利用掺铬的红宝石晶体作为发光工作物质，用发光强度很高的氙灯作为泵浦源的方案，冲破禁区，经过约两年的时间，终于在1960年5月成功地获得了激光，制成世界上第一台红宝石激光器。梅曼的红宝石

8、激光器由三部份组成：工作物质——红宝石晶体；步频谐振腔和泵浦光源——脉冲氙灯；梅曼将红宝石做成长4.5厘米，