我們知道，與一般的光相比，激光有著“單色性好”“準(zhǔn)直性強(qiáng)”“亮度極高”等特點(diǎn)，從而備受工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的青睞。然而激光為什么會(huì)擁有這些特點(diǎn)？想要了解這些，我們還是要從激光的發(fā)明過(guò)程入手。激光的英文名稱，我們相對(duì)熟悉：“l(fā)aser”，其實(shí)這是一個(gè)英文縮寫(xiě)，全稱為“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”，即“受激輻射光放大”。這個(gè)英文名字已經(jīng)展示了激光的生成原理：物質(zhì)受到外界刺激，并形成光子對(duì)外輻射能量。
根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)的研究，能量并不是我們所設(shè)想的那樣是連續(xù)的，而是有其最小的單位，也就是說(shuō)如果把能量不停地進(jìn)行細(xì)分，我們最終可以得到一個(gè)無(wú)法再細(xì)分的能量單位。這一理論在1900年由普朗克提出，雖然違反普通人的一般直覺(jué)，但在后來(lái)的實(shí)驗(yàn)中一再得到驗(yàn)證。
能量的最小單位被稱為“量子”，由普朗克常數(shù)（）決定。這是一個(gè)非常小的單位，通常只有在微觀世界才有實(shí)際意義，比如衡量原子等微觀粒子的能量時(shí)。對(duì)原子而言，可以擁有“1單位”“2單位”等等若干單位能量。能量呈現(xiàn)階梯型排布，可以用“能級(jí)”來(lái)表示，原子的能量變化呈現(xiàn)一階一階的模式，這個(gè)過(guò)程有點(diǎn)像是“上臺(tái)階”而不是“坐滑梯”，為了形象地描述這種能量變化過(guò)程，所以我們稱之為“能級(jí)的躍遷”。
我們知道，物質(zhì)不滅，能量守恒，能量不能憑空產(chǎn)生也不能憑空消失。一個(gè)小朋友從滑梯上滑下來(lái)，他原本具有的重力勢(shì)能被轉(zhuǎn)化為了動(dòng)能，并隨著滑下來(lái)的過(guò)程變成內(nèi)能散發(fā)到大氣中。而一個(gè)原子中含有磁場(chǎng)勢(shì)能，在外界刺激下發(fā)生躍遷，從而丟失掉一部分磁場(chǎng)勢(shì)能，這部分能量就被輻射出去的光子攜帶出去了。而吸收或者輻射的光子能量值，自然就是原子原本的能量值＝和后來(lái)的能量值 之差（），而頻率可以通過(guò)剛才提到的普朗克常數(shù)計(jì)算（）。
1917年，愛(ài)因斯坦提出具有劃時(shí)代意義的“受激輻射”理論。他指出，當(dāng)頻率為一定值的光子入射時(shí)，會(huì)有一定的概率誘發(fā)處于高能級(jí) 上的原子躍遷到較低能級(jí) ，并輻射出兩個(gè)光子（一個(gè)是原來(lái)就有的光子，另一個(gè)是能級(jí)躍遷輻射出來(lái)的光子）。這兩個(gè)光子相位、偏振態(tài)、頻率及傳播方向都完全相同，這個(gè)過(guò)程被稱作受激輻射。不難看出，我們通過(guò)讓一個(gè)光子射入，得到了兩個(gè)對(duì)外輻射的光子，只需要提供足量的處于高能級(jí)上的原子，經(jīng)過(guò)這樣的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就可以一傳二，二傳四，得到大量性質(zhì)一致的光子，
相當(dāng)于原來(lái)的光得到了放大。而且，由于能量以階梯形式存在，固定的能級(jí)躍遷帶來(lái)的光子頻率是固定的，也就是說(shuō)經(jīng)過(guò)放大的光，將擁有著自然界任何光都無(wú)可比擬的單色性、準(zhǔn)直性和亮度。
理論引導(dǎo)實(shí)踐，在接下來(lái)的四十余年中，無(wú)數(shù)科學(xué)家嘗試從實(shí)踐上驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的理論，終于在1960年5月16日，美國(guó)科學(xué)家西奧多·梅曼用人造紅寶石作為工作物質(zhì)提供高能級(jí)原子，用一束普通的閃光燈作為工作光源提供原始光子，得到了一束紅色的脈沖光。這就是人類(lèi)有史以來(lái)制造出的第一束激光。
這是個(gè)注定會(huì)載入史冊(cè)的日子：激光以每秒三十萬(wàn)千米的速度，影響人類(lèi)世界的方方面面，成為了人類(lèi)移山填海、無(wú)堅(jiān)不摧的利劍。由此開(kāi)始，激光衍生出眾多應(yīng)用領(lǐng)域，也深刻改變了傳統(tǒng)制造業(yè)的面貌。
來(lái)源： 維科網(wǎng)激光
|
中文版
ENGLISH
