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当时,他正着手利用一颗粉红色的红宝石晶体,制造出被称为“光学激射器”(optical maser)的东西。
关键词:当时,他正,着手,利用,一颗,粉红色,的,红宝石,        文章来源:揭西(礼品)擂茶      作者:揭西随礼汇      浏览数:      更新日期:2020-05-17

来源:原理

  1959年10月,32岁的西奥多·梅曼(Theodore Maiman)只是一名籍籍无名的年轻物理学家。当时,他正着手利用一颗粉红色的红宝石晶体,制造出被称为“光学激射器”(optical maser)的东西。项目开始得并不顺利。梅曼所在的实验室的其他人纷纷质疑这项研究的意义。然而,梅曼的坚持证明了他们都是错误的。

  1960年5月16日,梅曼成功创造出了一种自然界没有的光,彻底改变了历史的进程。在此之前,光的研究都仍限于对来自恒星、蜡烛、电灯等光源提供的照明。这些光源都包含大量以独立、随机的方式释放储存的能量的原子或分子,这是一种被称为自发发射的过程。而梅曼则成功地让原子以一种协调的方式释放它们的光,在他所设计的装置中,一个原子的发射会诱发其他原子的发射,这便是所谓的受激发射,标志着通过受激辐射产生的光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)——激光(LASER)的诞生。

梅曼与他的激光器(1960年7月)。| 图片来源:Wikipedia梅曼与他的激光器(1960年7月)。| 图片来源:Wikipedia

  激光的横空出世并不能归结于一个人的发明创造,而是几十年的科学观察和想法的结晶。1905年,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)提出了光子存在的假设。他利用光同时具有波和粒子的性质,成功地解释光电效应,这是一种电子因为光入射到金属板上而从表面溢出的效应。1917年,他开始思考光子是如何从原子中发射出来的问题。在一篇题为《辐射的量子理论》的论文中,他提出了原子与光子的相互作用可能存在三个不同的过程:吸收(即一个原子吸收一个光子并获得能量,成为激发态的过程)、自发发射(即一个受激原子通过释放一个光子而失去能量的过程)、受激发射(即一个受激原子在另一个光子的激发下释放出一个光子,而失去能量的过程)。

  1953年,物理学教授查尔斯·哈德·汤斯(Charles Hard Townes)与他的研究生詹姆斯·戈登(James Gordon)和赫伯特·蔡格(Herbert Zeiger)制造出了第一个可运行的微波激射器(MASER),这是一种可以发射出相干的微波辐射脉冲的设备。与此同时,苏联的尼古拉·巴索夫(Nikolay Basov)和亚历山大·普罗霍罗夫(Aleksandr Prokhorov)也独立研发出了他们自己的版本,可以发射连续的微波光束,而不是一系列的脉冲。

  在MASER出现之后,许多研究人员开始转向制造出这种设备的“可见光”版本,其中就包括汤斯以及贝尔实验室的阿瑟·伦纳德·肖洛(Arthur Leonard Schawlow)。最初他们称这种设备最初被称为“光学激射器”。这种新设备的挑战在于尺寸,可见光的波长比微波的要短得多,而器件的设计需要与波长相当,这极大地增加了新器件的制造难度。尽管如此,贝尔实验室还是在1958年成功申请了第一项关于光学激射器的专利。大约在同一时间,哥伦比亚大学的一位名叫戈登·古尔德(Gordon Gould)的学生发表了现在被称为“激光”的想法。

1957年,古尔德在实验室笔记的第一页中定义了“激光”一词。| 图片来源:AIP Emilio Segre Visual Archives1957年,古尔德在实验室笔记的第一页中定义了“激光”一词。| 图片来源:AIP Emilio Segre Visual Archives

  1960年,在休斯研究实验室工作的梅曼成为了第一个创造出可运行的激光设备。它将一种合成的红宝石晶体作为受激发射的介质,红宝石晶体被制作成立方体的形状,它会吸收光线。梅曼在红宝石的两端添上了一层银镜,其中一层比另一层更薄,可以让一些光以光束的形式逸出。他用一根闪光管来给晶体的原子提供能量,并将整个装置放置在一个抛光过的铝管中。最终,他成功的让装置发射出高亮度、高强度的单色红光脉冲。激光时代从此到来。

1960年,梅曼在《自然》杂志上发表的论文。| 图片来源:Wikipedia1960年,梅曼在《自然》杂志上发表的论文。| 图片来源:Wikipedia

  梅曼将这一成果发表在《自然》杂志上,题为《红宝石中的受激光辐射》(Stimulated Optical Radiation in Ruby)。这篇文章中只含有两张简单的图,总字数不到300。而且有别于现代的许多重要发表,这篇文章甚至没有一个结尾段落来畅想这一发现有可能导致怎样的科学和技术进步。在文中,梅曼所提供的设备设计图非常简单。60年过去了,科学家和大众都已将激光以及激光的诸多应用视作所当然的事,这在一定程度上导致许多人忽视了激光在科学研究中所起到的关键作用。

  自1960年以来,许多诺贝尔物理学奖被授予了激光领域或由激光做出的成果的领域。梅曼本人曾两次被提名诺贝尔物理学奖,却从未获奖;1964年,汤斯、巴索夫,以及普罗霍罗夫获得该奖,以表彰他们在量子电子学领域所做的基本工作,导致了基于激光原理的振荡器和放大器的构建。1966年,阿尔弗雷德·卡斯特勒(Alfred Kastler)因其光泵技术再次获奖。

  不久之后,大量不同的制造激光的新机制开始涌现。在20世纪后半叶,激光成为了研究、医药和工业的重要工具。在过去的20多年里,更多的诺贝尔奖被授予了因为激光的使用而成为可能的科学技术。例如,利用超高速激光进行精确的频率测量的光学频率梳,它在计量、光谱学和天文学等领域等具有广泛应用;再比如光镊是另一种利用激光的新技术,它可以用于拾取和移动微小的粒子。2018年的诺贝尔物理学奖再一次颁发给了激光物理学,获奖者之一阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)就是光镊的发明者,另外两名获奖者热拉尔·穆鲁(Gérard Mourou)和唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)则为创造出最短且最强的激光脉冲铺平了道路。  
       激光的出现给我们带来无数美好的惊喜,它以前所未有的方式揭示了光与物质的不同寻常的相互作用,并催生了非线性光学这一硕果累累的科研领域。从梅曼在1960年5月16日首次成功使用激光至今,整整60年过去了。在过去的60年中,激光在光谱学、外科手术、生物学和分子成像以及一系列其他领域都得到了重要应用,为科学和社会带来革命性的变化。

  参考链接:

  http://www.cambridgeblog.org/2020/04/a-brief-history-of-lasers-60th-anniversary-of-the-laser/

  https://www.osa.org/en-us/history/milestones/laser_60th/

  https://www.nature.com/articles/s42254-020-0181-9

  https://doi.org/10.1038%2F187493a0

  https://physicsworld.com/a/six-decades-of-laser-science/

  https://www.wired.com/2008/05/dayintech-0516-2/



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