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激光是怎么回事?

时间:2024-08-23 百科知识 版权反馈
【摘要】:1964年诺贝尔物理学奖一半授予美国马萨诸塞州坎布里奇的麻省理工学院的汤斯,另一半授予前苏联莫斯科苏联科学院列别捷夫物理研究所的巴索夫和普罗霍罗夫,以表彰他们从事量子电子学方面的基础工作,这些工作导致了激光的出现。可见,巴索夫在这项有历史意义的工作中起了何等的作用。②激励系统,譬如固体激光器中的脉冲闪灯,为激发光的输入系统。③共振腔,譬如固体激光器中的聚光镜。

激光”一词是英文缩写词“LASER”的意译。1964年,钱学森院士提议取名为“激光”,既反映了“受激辐射”的科学内涵,又表明它是一种很强烈的新光源,贴切、传神而又简洁,得到我国科学界的一致认同并沿用至今。

1964年诺贝尔物理学奖一半授予美国马萨诸塞州坎布里奇的麻省理工学院的汤斯,另一半授予前苏联莫斯科苏联科学院列别捷夫物理研究所的巴索夫和普罗霍罗夫,以表彰他们从事量子电子学方面的基础工作,这些工作导致了激光的出现。

汤斯1915年7月28日出生于美国南卡罗莱纳州的格林维尔,15岁高中毕业后进入格林维尔的佛曼大学,他不但物理学得很好,还对语言科学有特殊的兴趣。1935年19岁就以优异的成绩获得了物理和语言学两科的学位。他在很多方面都得到了发展,曾是博物馆的讲解员和校刊记者,参加游泳队、足球队。1936年在杜克获物理学硕士学位,1939年在加州理工学院获博士学位,研究的题目是有关同位素分离和核自旋的问题。

1964年诺贝尔奖金获得者

普罗霍罗夫1916年7月11日出生于澳大利亚昆士兰州艾瑟顿一个流亡的俄国革命工人家庭里,1923年回到祖国苏联。从小学到大学,他的学习成绩始终名列前茅。1939年以优异成绩毕业于彼得格勒大学物理系,同年进入苏联科学院列别捷夫研究所振动实验室当研究生,1941~1944年战争期间在作战部队服役,负伤后复员回到列别捷夫研究所,继续从事研究工作。1960年,普罗霍罗夫当选为苏联科学院通讯院士,1966年当选为院士。1968年他被任命为列别捷夫物理研究所副所长。普罗霍罗夫由于研制分子振荡器与他的同事巴索夫一起获得列宁奖金,他还由于在亚毫米波波谱学方面的工作获得苏联国家奖。他被授予社会主义劳动英雄称号,曾四次获列宁勋章。

巴索夫1922年12月14日出生于俄罗斯的乌斯曼,父亲是一位大学教授。巴索夫于1941年在代龙涅什中学毕业。卫国战争中在部队服役。1946年进入莫斯科机械学院,1950年毕业。从1948年起,巴索夫就在苏联科学院列别捷夫物理研究所振动实验室任实验员,大学毕业后继续在该研究所工作,并升任工程师,1956年获得博士学位,1963年,任该所新建立的量子电子学实验室主任,兼莫斯科工程物理学院(原莫斯科机械学院)教授。普罗霍罗夫与巴索夫联名发表的两篇有关微波激射器的开创性论文,第一作者都是巴索夫,第二作者是普罗霍罗夫。可见,巴索夫在这项有历史意义的工作中起了何等的作用。当时巴索夫还未取得博士学位。

什么是激光?它与普通的光有什么不同?

通常我们看到物体的发光,可以分为两种。

一种是热辐射,把一铁条,加热到一定温度,会发出红光,再加高温度,发出的光慢慢变白。并不是温度低时没有发光,只要不是绝对零度,都会发出电磁波,只是不在可见光的范围内,我们人眼感觉不到而已。热辐射是由于分子或原子的热运动而向外传播的电磁波,发射电磁波只会降低温度,也就是降低原子分子热运动的平均能量,不会改变分子原子本身结构。这种发射电磁波的过程,在物理上就称为“热辐射”,不叫“发光”。

发光是怎么回事呢?原子或分子受到某种激发,原子核外的电子从基态跃迁到高能阶,再从高能阶跳到基态,把多余的能量以光的形式放出,这就是发光。发出的光具有一定频率,用光谱仪分析,可得到与原子性质紧密联系的线光谱。激发原子发光的有:电致发光,原子在电场作用下发的光,如闪电、霓虹灯等。光致发光,如磷光、荧光等。电子束激发发光,如电视雷达、示波器、计算机等的荧光屏的发光。

物理上用波与粒子的二重性来描述光,粒子性表现在它是光子,光子的能量是与其频率成正比的,因此光的频率与发光原子两个能阶的能量差别密切联系着。把光看成电磁波,光有传播方向、有振动方向等。普通光源发的光,传播方向与振动方向都是各向同性的,也就是说各个方向都有。而激光,却具有一定的频率、一定的传播方向、一定的振动方向,当然,这里的一定不是绝对。

下图表示电子在两能阶上跃迁的示意图。E2为高的能阶,E1为低的能阶。(a)为自发辐射的情况,电子从高能阶跳到低能阶,放出频率为v的光子,E2-E1=hv,h为普朗克常数,光的传播方向各向同性。(b)为受激吸收的情况,吸收了一个光子,电子从低能阶E1跳到高能阶E2,入射光子的能量被吸收了。(c)为受激辐射的情况,吸收了一个光子hv,电子从高能阶E2跳到低能阶E1,放出两个光子,出射光子的频率与方向都与入射光子相同。

电子在两能阶之间跃迁的几种情况

激光就是利用原子的受激辐射原理做成的,简单地说,激光器由三部分组成:①工作物质,譬如固体激光器中的红宝石棒,即选择为具有理想的E2与E1能阶的物质。②激励系统,譬如固体激光器中的脉冲闪灯,为激发光的输入系统。③共振腔,譬如固体激光器中的聚光镜。

共振腔很重要,它的目的是将激励系统进入共振腔的光波选出所要的频率与传播方向,利用反射镜让这样的光多次经过工作物质,让工作物质发出所需要的光,让这样的光通过半反射镜射出去,这就是所需要的激光。

由于激光具有很好的方向性,可以聚焦在很小的区域,一台实验室用的小型的10毫瓦He-Ne激光器的焦点处光强就可达到每平方米107瓦,比太阳在地表面产生的光强(约每平方米103瓦)高1万倍。现在大型激光的输出功率

激光器示意图

可达数十千瓦或更高,焦点处光强可达1022瓦/平方米。

固体激光器示意图

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