您的位置:bob体育官方平台 > 军迷贴图 > 汤斯发明激光器,激光的基础知识和作用

汤斯发明激光器,激光的基础知识和作用

2020-02-15 13:43

图片 1

激光,是一种自然界原本不存在的,因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光。物理学家把产生激光的机理溯源到1917年爱因斯坦解释黑体辐射定律时提出的假说,即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程。众所周知,任何一种光源的发光都与其物质内部粒子的运动状态有关。当处于低能级上的粒子(原子、分子或离子)吸收了适当频率外来能量(光)被激发而跃迁到相应的高能级上(受激吸收)后,总是力图跃迁到较低的能级去,同时将多余的能量以光子形式释放出来。如果光是在没有外来光子作用下自发地释放出来的(自发辐射),此时被释放的光即为普通的光(如电灯、霓虹灯等),其特点是光的频率大小、方向和步调都很不一致。但如果是在外来光子直接作用下由高能级向低能级跃迁时将多余的能量以光子形式释放出来(受激辐射),被释放的光子则与外来的入射光子在频率、位相、传播方向等方面完全一致,这就意味着外来光得到了加强,我们称之为光放大。显然,如果通过受激吸收,使处于高能级的粒子数比处于低能级的越多(粒子数反转),这种光的放大现象就越明显,这时就有可能形成激光了。

激光的出现是20世纪60年代最重大的科学技术成就之一。它以其高亮度、高方向性、高单色性、高相干性等突出特点,得到了广泛的应用,并在科学技术的许多重大领域开辟了新的生长点,引起了革命性的变化。 1916年,爱因斯坦发表了《关于辐射的量子理论》一文,首次提出了受激辐射的概念。按照这个理论,处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用,将转变到低能态,并产生第二个光子,同第一个光子同时发射出来,这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大,而且是相干光,即两个光子的方向、频率、位相、偏振都完全相同。随着量子力学的建立和发展,人们对物质的微观结构及其运动规律有了更深入的了解,微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等也得到了更有力的证明,这在客观上更加完善了爱因斯坦的辐射理论,为激光的产生奠定了理论基础。 20世纪40年代末,出现了量子电子学,它主要研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用,并从而研制出相应的器件。这些理论和技术的进展,都为激光器的发明准备了条件。1951年,美国物理学家珀塞尔和庞德在核感应实验中,把加在工作物质上的磁场突然反向,结果在核自旋体系中造成了粒子数反转,并获得了每秒50千赫的受激辐射,这是在激光史上有重大意义的实验。 1954年,美国科学家汤斯和他的助手戈登、蔡格一起,制成了第一台氨分子束微波激射器。这台微波激射器产生了125厘米波长的微波,功率很小,但它成功地开创了利用分子或原子体系作为微波辐射相干放大器或振荡器的先例,因而具有重大意义。与此同时,前苏联的巴索夫和普罗霍洛夫以及美国马里兰大学的韦伯,也分别独立地提出了微波激射器的思想。由于微波激射器的成功,使人们进一步想到,如果把微波激射器的原理推广到光频波段,就有可能制成一种相干光辐射的振荡器或放大器。生产和科学技术发展的需要,也推动科学家们去探索新的发光机理,以产生新的性能优异的光源。 1958年,肖洛与汤斯将微波激射器与光学、光谱学的知识结合起来,提出了采用开式谐振腔的关键建议,并预言了激光的相干性、方向性、线宽和噪音等性质。 同一时期,巴索夫、普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案。1960年7月,美国青年科学家梅曼成功地制造并运转了世界第一台激光器。工作物质用人造红宝石,激励源是强的脉冲氙灯,它获得了波长06943微米的红色脉冲激光。第一台激光器问世以后,激光发展很快,短短时间里就出现了许多不同类型的激光器。1961~1964年,先后制成钕玻璃激光器和掺钕钇铝石榴石激光器,它们和红宝石激光器都是迄今仍被大量应用的固体激光器。1960年底,贝尔电话实验室的贾万等人制成了第一台气体激光器氦氖激光器。 1962年,有三组科学家几乎同时发明了半导体结激光器。1966年,又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。此外,还有输出能量大、功率高,而且不依赖电网的化学激光器等。由于激光器的种种突出特点,因而很快被运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面,并在许多领域引起了革命性的突破。比如,利用激光集中而极高的能量,可以对各种材料进行加工。 激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段,已在医疗、农业上取得良好的效果;激光在军事上除用于通信、夜视、预警、测距等方面外,各种激光武器、激光制导武器已投入实用。今后,随着激光技术的进一步发展,激光器的性能和成本进一步降低,其应用范围还将继续扩大,并将发挥出越来越重大的作用。

激光一经产生,便立刻发出了绚丽的光芒,照进了人类的生活。国防科技大学孙晓泉研究员为您讲述——

激光之所以被誉为神奇的光,是因为它有普通光所完全不具备的四大特性。

一束光的梦想与现实

1.方向性好普通光源(太阳、白炽灯或荧光灯)向四面八方发光,而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内,这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。

■解放军报记者 王握文 通讯员 孙程浩 娄兆凯

2.亮度高激光是当代最亮的光源,只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。太阳光亮度大约是103瓦/(厘米2.球面度),而一台大功率激光器的输出光亮度经太阳光高出7~14个数量级。这样,尽管激光的总能量并不一定很大,但由于能量高度集中,很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。

“神奇之光”的神奇之处

3.单色性好光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长,是各种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光及红外光、紫外光等不可见光。而某种激光的波长,只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632.8纳米,其波长变化范围不到万分之一纳米。由于激光的单色性好,为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。

激光是20世纪以来继量子物理学、核能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明。因为它是原子受激辐射发出的光,所以称为“激光”。

4.相干性好干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性,它必然相干性极好。激光的这一特性使全息照相成为现实。所谓激光技术,就是探索开发各种产生激光的方法以及探索应用激光的这些特性为人类造福的技术的总称。自1960年美国研制成功世界上第一台红宝石激光器,我国也于1961年研制成功国产首台红宝石激光器以来,激光技术被认为是20世纪继量子物理学、无线电技术、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又一重大科学技术新成就。30多年来,激光技术得到突飞猛进的发展,不仅研制了各个特色的多种多样的激光器,而且激光应用领域不断拓展,并形成了激光唱盘唱机、激光医疗、激光加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及激光武器等一系列新兴产业。激光技术的飞速发展,使其成为当今新技术革命的带头技术之一。

激光原本在自然界并不存在,它的诞生最早来自爱因斯坦在解释黑体辐射定律时提出的假说,即光的吸收和发射可经由受激吸收、受激辐射和自发辐射3种基本途径。其中,受激辐射可使一个光子先后激发出很多个性质相同的光子,频率和步调整齐一致,从而出现一束弱光最终激发出强光的现象,即“受激辐射的光放大”。这就是爱因斯坦的“受激辐射”理论,他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性。因此,物理界将激光产生机理溯源于爱因斯坦的假说。这样算来,激光至今已有了上百年历史。

从1916年爱因斯坦提出“受激辐射”理论,到1960年人类获得第一束激光、世界上第一台激光器诞生,整整用了43年。可见,科学家为了获得这束光是多么艰难而漫长。最难得到的往往都是最好的,激光更是这样,它一经问世,便被誉为“神奇之光”。那么,它有何神奇之处呢?

定向发光,方向性好。普通光源是向四面八方发光,如果要让其朝一个方向照射,必须给光源装上一个聚光装置,如探照灯。激光天生就是朝一个方向发光,发散角非常小,方向集中,接近平行。1962年,人类第一次使用激光照射月球,在相隔约38万千米远的月球表面上,其光斑直径不到两公里。

亮度极高,能量密度大。普通光源中,太阳的亮度最高,而激光与太阳光相比,亮度要高百亿倍,是目前最亮的光。激光器发射大量光子,短时间里聚集巨大能量,聚焦一点可产生百万甚至上千万摄氏度的高温。

相位一致,相干性好。相干性是所有波的共性,激光的所有光子都相同且步调一致,其横截面上各点间有固定的相位关系,具有很好的空间相干性,成为最好的相干光源,而普通光的光波并不同步,属于非相干光。

颜色极纯,单色性好。普通光源发射的光子,波长各不相同,不同波长对应有不同颜色。而激光不仅波长基本一致,且谱线宽度很窄,因此,它是一种颜色极纯的单色光。

生活中无处不见的应用

自从人类发现了激光,特别是激光器的诞生,它便以其无与伦比的优越性在各个领域得到广泛应用。从1961年首次在外科手术应用激光杀灭视网膜肿瘤,到今天激光焊接、激光测距、激光雕刻、激光通信、激光医疗等,已广泛应用于工业生产、信息处理、医疗卫生、文化教育、影视艺术以及科学研究等诸多领域,带来了一系列令人难以置信又不得不信的变革性突破。

在工业领域,运用激光束能量集中的优点切割材料,激光束将切割线部位熔化,同时将熔化材料吹走,切割面平整而光滑。采用短脉冲激光对材料表面快速作用进行激光清洗,可将铁锈、油漆、氧化膜等一扫而光。利用激光束高密度能量等特点,还创造出激光焊接、熔覆、雕刻、打标、打孔、3D打印等新技术。用激光作为测距光源,可测距离远且精度极高。在信息通信领域,一条用激光传送信号的光缆,可以携带相当于2万根电话铜线所携带的信息量,且保密性好、抗干扰能力强。在医疗卫生方面,常见的有激光手术、激光碎结石、激光矫视、激光美容等。因此,它被称为是“最亮的光”“最快的刀”“最准的尺”。

随着技术进步和工艺水平的提高,未来激光器将朝着脉冲速度更快、平均功率更高、光束质量更好、谱线宽度更窄的方向发展。近年来,该领域正朝着可调谐固体激光器、超快光纤激光器、大能量紫外激光器应用等激光加工和激光感知方向快速发展,在信息技术、新能源、新材料、智能制造、生物医疗、电子及航空航天等方面的应用越来越广泛,发挥出巨大的创新驱动作用。

军事应用方兴未艾

你相信吗?一束总能量不足以煮熟一个鸡蛋的激光,能穿透3毫米厚的钢板。

激光束能量瞬间高度集中的这一特点,使得它在军事领域有了用武之地。1983年,时任美国总统里根在谈到“星球大战”时,第一次描绘了基于太空的激光武器,从此,激光武器走进人们的视野。此后,美国、俄罗斯、法国、以色列等国凭借其科技优势,在激光武器研究方面不断取得进展,多种激光武器和激光制导武器不断问世。

激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使其失效的定向能武器。它主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成,其主要特点,一是攻击速度极快,激光束可以每秒30万公里速度向目标发射;二是攻击功率高,短时间内集中的能量,远远超过相同时间核武器释放的能量,对目标进行远距离毁伤,却不会产生放射性污染;三是不受电磁干扰,可以灵活地改变方向,实现快速、精确打击。

根据作战用途的不同,激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器,根据能量大小,又相对应地分为低能和高能激光武器。

战术激光武器以激光作为能量,可像常规武器那样直接击毁火箭弹、无人机等武器或敌方光电设备,如激光枪和激光炮。战略激光武器则主要用于击毁洲际导弹、致盲或摧毁卫星等,自上世纪70年代以来,美俄两国以多种名义进行了数十次反卫星激光武器试验。近年来,高能激光武器研制取得长足进步。2017年,美国研制的名为“雅典娜”的地面机动式、大功率光纤激光武器,在测试中成功击落了5架无人机,验证了其对空中目标的杀伤力。德国研制的高能激光武器系统“天空卫士”,在测试中成功击落了以每秒50米速度飞行的无人机,烧穿了1千米外、15毫米厚的装甲钢板,效果“出奇的好”。今年3月1日,俄罗斯宣布在新一代高能激光武器系统的研发上取得重大进展,并公布了新型机动型高能激光武器系统的影像资料。

其实,激光在军事领域的应用远不止这些。如有着自主导航系统“CPU”之誉的激光陀螺,它可以使飞机、舰船、火箭、导弹等运动载体不依赖外部导航信息,实现精确定位、精确控制、精确打击,但激光陀螺的研制与生产难度极大,工艺要求也高。此外,还有激光雷达、激光制导、激光模拟训练器材等。

前不久,2018年诺贝尔物理学奖揭晓,来自美国、法国和加拿大的科学家共同获得该奖,以表彰他们在激光物理领域的突破性贡献。

“一束光”的研究与发明成果先后10次获得诺贝尔物理学奖,它的广泛应用更是带来了一系列突破性创新,演绎着无数的光荣与梦想。

孙晓泉,国防科技大学电子对抗学院研究员、博士生导师,从事激光应用技术教学科研工作30余年,先后主持军内外科研课题10余项,获重大科技奖励10余项。

本文由bob体育官方平台发布于军迷贴图,转载请注明出处:汤斯发明激光器,激光的基础知识和作用

关键词: