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[【理工类原创】] 神奇的激光

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发表于 2009-4-18 19:47:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
我是光电子通信的一名学生。
这是我写的一片学术文章,呵呵,其实科普性更强些。


神奇的激光


    从1960年,美国物理学家梅曼(T.H.Maiman)发明红宝石激光器以来,激光技术已经走过了49年,从发明初到如今,从不成熟到走向成熟,在当今世界,激光技术已融入我们生活的方方面面,几乎是无处不在。
    说起激光,对于我来说也是印象颇深。在我童年的时候,曾经一度流行过一种玩具,叫做“镭射笔”,样子有点像现在的激光教鞭,一按笔身上的按钮,就有一个红点照到远处的墙壁上,平常我总是在雾天或是下雨天照来照去,这样,由于水滴的折射,就会产生一道红色的光束,像极了科幻电影中的激光剑。虽然不知道它是否真的是激光器,但是却在我心中播下了激光技术的种子。初中时,激光光盘走进了我们的世界,在这小小的厚1.2mm,直径12cm的圆盘上,记载着多少个故事,多少文字资料,多少首音乐,都令当时的我们为之惊讶。激光技术就是这样,走进了我们的平常生活。
    激光的最初中文名就叫做“镭射”,或是“莱塞”,是它的英文名称LASER的音译,是取自英文“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ”的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
    激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。
    激光,确实是一种奇异的光。它具有三大特性:高亮度性(能量或功率高度集中),高方向性(方向极好),高单色性(颜色极纯),这是普通光不能比拟的。它的亮度为太阳光的50亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的,激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生,而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段,去获得空前的效益和成果,从而促进了生产力的发展。


一、神奇之光是如何产生的?
——粒子数反转


    原子中的电子在原子核外绕着原子核旋转,它们分布在一个个能量不同的轨道上。
    处于某个能级中的电子,如果接受了外来的能量,就会跃迁到能量较高的能级,这被称为“收激吸收”;水总是从高处往低处流,成熟的果子总是要纷纷下落。这是因为地球对物体有吸引力,原子中的电子也是这样,因为受到原子该的吸引力,处于较高轨道的电子极不稳定,它还会跃迁回原来的能级,并释放出先前所吸收的能量,而这种能量会以光的形式传播出去,这个过程被称为“自发辐射”。这就是我们平时所看到的普通的光。
    但是,还有另一种不同的发光形式,叫做“收激辐射”,是由爱因斯坦于1917年首先提出的。它是指原本就处于高能级的电子,受到了一份能量后,不往高能量轨道跃迁,而是往低轨道跃迁,并释放出两份能量。这样,原本的一份能量(更专业的术语叫做光子),变成了两份能量,从而实现了光的放大,也就是激光。这种情形也好理解,夏天的树枝上,常常传来的“知了,知了”的声音。秋天的草丛中,蟋蟀发出“咀咀”的叫声。春天的稻田里,也可以听到青蛙的“呱呱”声。这类动物,只要有一只先叫起来,其余的受到“刺激”,也以同样的声音跟着叫,是不是和“收激吸收”的原理很像呢?
    这两种不同的发光形式都存在于原子中。只不过“自发辐射”取决于低能级电子数,而”收激辐射”取决于高能级电子数。那么究竟是低能级电子数多还是高能级电子数多呢?
    假设我们去一个教室上课,如果我们第一个到,那么教室是空的,我们肯定会选择坐在最靠近讲台的第一排,而后来的同学会选择第一排剩下的座位,直到第一排被坐满。再后来的同学就只能做第二排,直至第二排也被坐满。以此类推,一直坐到最后一排;如果我们堆放物品,也总归会先把最下面的一层摆放满,再依次往上摆放。
    原子中的电子也是如此,先填满能量最低的轨道,紧接着再填满能量次低的轨道,直至电子全部填充完。电子的这种排布规则被称为“能力最低原理。”由于电子的这种排布规则,我们可知道,能量较低的轨道很容易被电子排布,或者称为占据,就像教室里第一排的位置很容易坐满一样,因此,低能量的电子数目必定远远大于高能量的电子数目。
    所以,这就是为什么我们平时所见的光都是普通光的缘故。要得到神奇之光,就必须使高能级电子数大于低能级电子数才可,这个过程叫做“粒子数反转”,它是产生激光的关键。


二、从理想到现实
——红宝石激光器的诞生


    为了实现粒子数反转,众多科学家前赴后继。
    在20世纪40年代前后,前苏联的一名物理学家就提出在气体放电过程中可能形成负温度状态的设想。利用粒子数反转分布来实观光的放大。他的激励方法是得当的,但是,由于探寻受激辐射跃迁的方法不适当,可惜没有成功。
    时间一直到1958年,自爱因斯坦1917年提出受激辐射概念后,足足经过了40年,美国两位微波领域的科学家汤斯和肖洛才打破了沉寂的局面,指出了受激辐射为主的发光的可能性,他们的发现使在光学领域工作的科学家马上兴奋起来,纷纷提出各种实现粒子数反转的实验方案。
    同年苏联科学家巴索夫和普罗霍罗夫也找到了粒子数反转的方法,1959年9月汤斯又提出了制造红宝石激光器的建议,但都不成熟。
    终于,永远将被载入史册的1960年到来了。
    梅曼成功地做出了世界上第一台红宝石激光器,观察到人类历史上空前未有的美丽而明亮的694.3nm红色激光,多年的努力终于获得了历史上第一束激光。至此。一门新的科学技术——激光技术,就以科学史上罕见的高速度向前发展着。
    此后,激光技术从此拉开了飞速前进的序幕。他终于从爱因斯坦的大脑中来到了我们这个大千世界。


三、新生的婴儿有什么用?
——激光技术之应用


    先讲一个小故事。百年前的某一天,伟大的物理学家法拉第发现了电磁感应定律,也就是能够“造电”的办法。学界和社会为之震惊,聆听演讲讲座的人应邀而至。法拉第先生一遍又一遍地演示着一段导体在磁场中做切割磁力线的运动,观众们一次一次地看着这一时刻产生的感生电流。这一刹那间的微弱电流,使电流表指针微微地动了一点,就那么一点点,一点都不起眼的一点点……
    在一次演讲结束后,一位贵夫人问法拉第先生,“这点电流有什么用?”法拉第先生反问说:“尊敬的夫人,您说,初生的婴儿有什么用?”
    这是法拉第先生留下的千古名言。当时,法拉第对自己的研究方向与结果充满着坚定信心,他认为电是一种完美的能源,那“一点点”一定能发展成为巨大电能,一定会对社会进步有意义,对整个现代文明有作用。为此,他没有因当时一些人的疑惑而捆绑以至放慢自己探索的脚步……
    而激光技术也正如同法拉第所说的这个婴儿一样,才用了几十年的时间,便长成了一个力大无比的巨人,改变了人类的历史,改变了全世界。
    至目前为止,可以说,在各个领域均能找到激光的用处。下面我只扼要地叙述一些典型的激光应用:

    (1)较为成熟的激光应用是利用激光对材料或工件进行精密加工,简称激光加工。
    (2)激光精密计量也是激光应用中一个较为成熟的技术,其原理主要是基于激光良好的相干性,做一把激光干涉“光尺”。精度可达1/100光波长。
    (3)激光一出现,光通讯便成为热门的研究课题。激光通讯发展成一种传递信息的有效工具。
    (4) 激光超缩微存储技术,在105×148 mm2的平面上可记录3000页,最高可达12000页。VCD、DVD已遍及千家万户。
    (5)利用激光治疗面部毛细血管瘤、色素痣、及祛除胎记、文身斑迹等是目前流行的美容手段。
    (6) 在科研方面,激光起着强大的探针的作用。这个探针的作用,就是研究物质的运动。从这个角度上来说,激光使研究物质的结构进入一个崭新的阶段。


四、光的世纪
——展望激光技术的未来


    当今世界的发展,除了光电子技术以外,最主要的是激光的发展。实际上,激光说起来,从原理上来说,它也是一种光电子技术。
    已经过去了的20世纪是“电的世纪”,电所带来的巨大革命使人们生活发生了翻天覆地的变化。有人说,21世纪是“光的世纪”,当你的生活变得越来越方便,越来越丰富的时候,你要知道,很大一部分原因是因为激光越来越多地出现在生活的各个角落,起着越来越重要的角色。

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发表于 2009-4-18 20:00:16 | 显示全部楼层
似乎还有后话…………
 楼主| 发表于 2009-4-18 20:12:02 | 显示全部楼层
晕。。。。
终于改好了。。。



所见即所得总是和最后的样子有一点点差别。。。。。。
最后还是用html语言了。。。

发表于 2009-4-18 20:18:02 | 显示全部楼层

Re:激光的产生原理与应用初探

光的世纪,忽悠吧
 楼主| 发表于 2009-4-18 21:04:41 | 显示全部楼层
只是一种预测哎。。
 楼主| 发表于 2016-2-16 21:08:26 | 显示全部楼层
这次引力波的探测就得益于激光的干涉。
引力波。。。。。。正如法拉第的那句“出生的婴儿有什么用呢?”
发表于 2016-2-17 00:22:13 | 显示全部楼层
激光通信?
发表于 2016-2-19 12:52:03 | 显示全部楼层
难道在2008年前就已经探测到了引力波?

量子夸克
【作 者】(英)安德鲁·华生著
【出版发行】 长沙:湖南科学技术出版社 , 2008.04

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 楼主| 发表于 2016-2-19 15:57:24 | 显示全部楼层
不排除以前会有探测到引力波的信号,LIGO建成多久了,如果啥都没发现,你觉得升级的钱从哪里来呢?但是达到5.1sigma的引力波事件应该是刚刚才探测到。
发表于 2018-4-16 11:10:51 | 显示全部楼层
引力波确实是对基础物理有重大贡献。
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