红宝石激光器

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红宝石激光器的工作物质是红宝石棒。已经成为在医学、工业以及众多科研领域不可或缺的基本仪器设备。

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红宝石激光器简介

红宝石激光器的工作物质是红宝石棒。在激光器的设想提出不久,红宝石就被首先用来制成了世界上第一台激光器。激光用红宝石晶体基质是Al2O3,晶体内掺有约0.05%(重量比)的Gr2O3。Cr3+密度约为,1.58×1019/厘米3。Cr3+在晶体中取代Al3+位置而均匀分布在其中,光学上属于负单轴晶体。在Xe()灯照射下,红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子,吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E3能级。粒子在E3能级的平均寿命很短(约10-9秒)。大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E2。粒子在E2能级的寿命很长,可达3×10-3秒。所以在E2能级上积累起大量粒子,形成E2和E1之间的粒子数反转,此时晶体对频率ν满足

hν=E2-E1

(其中h为普朗克常数,E2、E1分别为激光上、下能级的能量)的光子有放大作用,即对该频率的光有增益。当增益G足够大,能满足阈值条件时,就在部分反射镜端有波长为6943×10-10米的激光输出。  

工作原理

在激光器的设想提出不久,红宝石就被首先用来制成了世界上第一台激光器。激光用红宝石晶体的基质是Al2O3,晶体内掺有约0.05%(重量比)的Gr2O3。Cr3+密度约为,1.58×1019/厘米3。Cr3+在晶体中取代Al3+位置而均匀分布在其中,光学上属于负单轴晶体。在Xe(氙)灯照射下,红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子,吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E3能级。粒子在E3能级的平均寿命很短(约10-9秒)。大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E2。粒子在E2能级的寿命很长,可达3×10-3秒。所以在E2能级上积累起大量粒子,形成E2和E1之间的粒子数反转,此时晶体对频率ν满足hν=E2-E1

(其中h为普朗克常数,E2、E1分别为激光上、下能级的能量)的光子有放大作用,即对该频率的光有增益。当增益G足够大,能满足阈值条件时,就在部分反射镜端有波长为6943×10-10米的激光输出。  

诞生背景

爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。这一理论指出,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,即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。

此后,量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构及运动规律有了更深入的认识,微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等问题也得到了更有力的证明,这也在客观上更加完善了爱因斯坦的受激辐射理论,为激光器的产生进一步奠定了理论基础。20世纪40年代末,量子电子学诞生后,被很快应用于研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用,并研制出许多相应的器件。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条件。

1951年,美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中成功地造成了粒子数反转,并获得了每秒50千赫的受激辐射。稍后,美国物理学家查尔斯.汤斯以及苏联物理学家马索夫和普罗霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激辐射原理来产生和放大微波的设计。

1960年,美国物理学家西奥多.梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里,勉强赢得了这场世界范围内的研制竞赛。他用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的铬原子,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使这一点达到比太阳还高的温度。  

发明过程

激光器通过受激发射放大原理产生一种相干光辐射(激光)。1960年7月7日,《纽约时报》首先披露,梅曼成功制成了世界上第一台红宝石激光器,他以闪光灯的光线照射进一根手指头大小的特殊红宝石晶体,创造出了相干脉冲激光光束,这一成果后来震惊了全世界。在全世界顶尖的实验室都争取第一个发明激光器的情况下,梅曼当时的雇主——洛杉矶休斯飞机公司(Hughes Aircraft Company)获得了胜利。

不过,梅曼在发表文章时并不顺利。他先把论文投到《物理评论快报》(PRL),但当时的编辑Sam Goudsmit认为这只是又一篇maser 重复工作的文章,因此拒绝发表。后来梅曼终于将文章发表在《自然》杂志上。当然,经过多年的努力争取,梅曼的成就已经得到了广泛的承认。

梅曼1927年7月11日生于加州洛杉矶,是一个电气工程师的儿子。父亲希望他成为一位医生,但他认为对激光的研究将对医学产生更大的影响。尽管梅曼小时候是一个野性难驯的孩子,但他的数学非常好。在1949年从科罗拉多大学硕士毕业后,梅曼来到斯坦福大学攻读博士研究生,并于1955年获得博士学位,他的导师是于1955年获得诺贝尔物理学奖的拉姆(Willis E. Lamb)。

在休斯飞机公司工作时,梅曼告诉老板他希望能够制造一台激光器,但由于当时其他著名实验室都没有做出什么令人振奋的成果,休斯公司还是希望他在计算机方面进行一些“有用”的工作。但梅曼坚持要进行研究,并以辞职相威胁。最终公司给了他9个月的时间,5万美元和一位助手。

在第一台激光器获得成功后,梅曼又继续对激光器在医学治疗上的应用进行研究,尽管当时的公众认为这是一种“致死”的光线。不过,由于休斯公司并没有再对激光器的潜在应用进行更多的投入,梅曼选择了离开并于1961年创办了自己的Korad公司。   

应用

梅曼的发明为人类做出了重大的贡献,激光器已经成为在医学、工业以及众多科研领域不可或缺的基本仪器设备。  

发明者

美国物理学家、世界上第一台激光器的发明者希尔多•梅曼(Theodore H. Maiman)因病于加拿大温哥华的不列颠哥伦比亚大学逝世,享年79岁。梅曼罹患的是系统性肥大细胞增多症(systemic mastocytosis),一种罕见的遗传疾病

终其一生,梅曼获得了无数的奖励。尽管1964年的诺贝尔物理学奖并没有授予发明了世界上第一台激光器的他,而是给了此前发明了微波激射器并提出激光器原理与设计方案的美国贝尔实验室物理学家汤斯和苏联物理学家巴索夫、普罗霍罗夫,但梅曼仍两次获得诺贝尔奖提名,并获得了物理学领域著名的日本奖和沃尔夫奖。他还于1984年被列入“美国发明家名人堂”(National Inventors Hall of Fame)。在《自然》杂志一百周年纪念的一本书中,汤斯将梅曼的论文称为该杂志100年来发表的所有精彩论文中“字字珠玑的最重要的一篇”。

对梅曼的纪念活动将在5月16日举行,因为这正是梅曼的激光器第一次开始工作的日子。

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