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探究激光起源:全球一半先进技术竟离不了它

  如果没有了激光,当今世界一半的先进技术将无法正常工作。但是,激光的发展过程会让你吃惊不已。

  激光是现代技术的基本构造块之一。说来也怪,当激光首次被提出来的时候,没有人对激光有一个具体的概念认知,甚至有人认为激光完全是浪费时间。对于激光的存在,我们要感激一小群人,他们的想法和大众不同,他们足够聪明,能够克服一切障碍促成激光的实现。

  激光的起源

  实际上,激光的历史起源于爱因斯坦在1917年发布的一篇名为“辐射的量子理论”(The Quantum Theory of Radiation)的文章。根据普朗克辐射定律(Max Planck’s law of radiation),爱因斯坦从理论上说明了除了吸收光和自发发光外,电子可以通过刺激来发射特定波长的光。从而奠定了激光的理论基础。

  后来科学家们花了30多年才实现爱因斯坦的设想。1928年,德国物理学家鲁道夫·拉登堡 (Rudolf Ladenburg)证明了激发辐射的存在;1939年,Valentin A. Fabrikant预测激发辐射可以用来放大较短可见波。直到1947年,美国科学家Willis E. Lamb和R.C. Retherford才首次证明了该现象的存在。

  Maser的发明

  在20世纪50年代初期,美国、欧洲以及苏联的物理学家正在努力尝试将激发辐射用于实际用途,但是他们的第一个目标对象不是光而是微波辐射。1953年,哥伦比亚大学的Charles H. Townes以及他的研究生James P. Gordon和Herbert J. Zeiger发明了第一个Maser(microwave amplification by stimulated emission of radiation受激辐射微波放大器);该设备通过使用充满活力的氨分子流受激辐射,进而产生电磁波相干波束。同时,在苏维埃社会主义共和国联盟(Union of Soviet Socialist Republics, USSR),苏联列别捷夫物理学研究所的尼古拉·巴索夫(Nikolay Basov)和普罗霍罗夫 (Aleksandr Prokhorov)也在研究他们自己的Maser技术。1952年在俄罗斯举行的一次会议上,他们阐述了Maser技术原理;之后他们继续进行研究,并提出了重大的改进,使得Maser技术更加实用有效。

  从Maser到Laser的演变

  在发明了maser之后,Townes和他的连襟肖洛 (Arthur Schawlow)开始在贝尔实验室对红外maser进行了认真研究,不久之后他们放弃了红外波谱而开始专注可见光的发射。Townes称之为光激射器。而同时,哥伦比亚大学的一位研究生正在撰写一篇关于激发铊能级的博士论文。Gould和Townes对辐射发射进行了讨论之后,Gould在1957年记录了他对激光(laser)的想法,提出了它(laser)的缩写并描述了它(laser)的基本要素。Gould之后在一家名为TRG的私人研究公司工作,并于1958年继续研究该项目,与在贝尔实验室独立工作的Townes和肖洛进行的工作相同。而与此同时,普罗霍罗夫和巴索夫也提出并研究了他们自己的光激射器设计。

  我们可能永远不会清楚到底是谁发明了激光器。Gould将他的研究发表在1959年发表的一篇论文上,并且通过TRG申请了核心技术专利。但是,在1960年,该专利被否认;Townes、肖洛以及贝尔实验室获得了专利。从而导致了历史上最长的专利战之一。

  建造激光器

  我们所知道的是谁建造了第一台激光器。贝尔实验室、RCA、IBM以及很多其他机构竞相开发激光技术,但是休斯研究所(Hughes Research Labs)的西奥多梅曼(Theodore Maiman)在1960年5月成功研制出第一台激光器。和Townes以及肖洛一样,梅曼也使用了红宝石作为激光介质,但是当时遇到的问题之一是要找到足够强的光源来刺激红宝石棒中的电子。梅曼很巧妙的利用了商业氙气闪光灯作为光源,从而研制出了首个激光束

  之后便引起了轰动。世界各地的实验室便纷纷开始仿效,有许多实验室在几个月内就建造了自己的激光器。而梅曼的激光器只能进行脉冲运行,并不是持续的光束。当年晚些时候,贝尔实验室的Ali Javan、William R. Bennett以及Donald Herriot建造了第一台能够持续运行的气体激光器,使用的是氦和氖。随后Javan便和尼古拉·巴索夫提出了激光二极管---该概念直到1962年才被Robert N. Hall和他研发的砷化镓激光二极管、以及Nick Holonyak Jnr(他的红色半导体激光器是当今CDs和DVD播放器中所使用的激光器的鼻祖)变为现实。

  自那以后,激光器发生了巨大的变化,变得更小、更强大、更精准、更节能。梅曼将他的激光器描述为“问题的解决方案”,但是他的老板霍华休斯(Howard Hughes)一直在努力的寻求实际应用。就算是在现在,我们也能不断发现激光器的新用途。从CD播放机到激光打印机,再到光速光处理机等应用,我们不难相信,激光是一种永远不会没落的技术。(文/Oscar译) 

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