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  • 激光是如何被研制出来的?

    作者:佚名 来源:科普中国 时间:2018-04-14 12:11 阅读:463 [投稿]
    激光是20世纪人类值得骄傲的重大发明之一,它是迄今性能最为优越的光源。你可知道,激光束如何被研制出来的呢?

    2002年4月7日,中国“神光二号”巨型激光器研制成功。你可知道,激光束如何被研制出来的呢?

    激光是20世纪人类值得骄傲的重大发明之一,它是迄今性能最为优越的光源。自从20世纪60年代初激光被发明以来,迅速被应用于工业、军事、通信、医学、科研等各领域,给传统工业和经典技术以巨大冲击,产生大批高新工业和新的学科,影响了人类生活的方方面面。


    激光是理论先于实践的典型代表。早在1916年,爱因斯坦在研究光和物质的相互作用时,就奠定了激光的理论基础。他提出激光的产生与原子的结构有关。在原子内部,存在原子核和核外电子,电子离原子核的距离越远,所具有的能量越高,这时我们称电子处于较高的能级。处于较高能级的电子可以自动“跳跃”到较低的能级,同时释放出特定频率的光子(光子的能量等于两个能级的能量差),称为自发辐射。如果有光子照射进原子,当光子能量正好等于电子高低能级的能量差时,处于高能级的电子将在入射光子影响下向低能级跃迁,同时发出一个与入射光子频率相同的光子出来,称为受激辐射。

    自发辐射是随机过程,处于高能级的原子发射光子的时间是随机的,发出的光的相位、偏振、传播方向等参数是随机的,光子之间没有确定的联系,这正是大多数自然光源所处的状态。而受激辐射发出的光子的物理参数都与外来的光子相同,是近乎完美的光。我们可以这样类比,当外国侵略者入侵时,自发起来反抗入侵的游击队的武器、服装、人员组成都是杂乱无章的;而政府为应对入侵而正式征集的军队,其武器、服装和人员组成都非常统一。

    虽然理论上预言了可以有受激辐射这样近乎完美的光,如何实现它却困扰了物理学家40多年,有人甚至一度认为这是不可能的。为什么会这样呢?

    当光射入物质时,原子中处于低能级的电子会吸收光子,叫作受激吸收。在正常情况下,处于较高能级的电子数量远少于处于较低能级的电子数量,原子处于这样的状态才比较稳定。因此受激吸收总是强于受激辐射,从自然状态来看,光是被吸收的。要产生较强的受激辐射,必须想办法让处于高能级的电子多于处于低能级的电子,叫作粒子数反转。可如何才能实现它,大家都一筹莫展。

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