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探寻激光之源 “激光”中国的专利

导读: 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。

  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!

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