50年前的5月16日,一名32岁的工程师Theodore Maiman搬动了加州Hughes研究实验室里的一个开关,从粉红色水晶里产生了一束光,这就是激光诞生的时刻。 之后,激光开始被用于大批量传输和存储数据、进行测量以及以次毫米级的精度切割材料。超市条形码里就用到了激光技术,1974年,一盒箭牌口香糖成为了第一个被扫描条形码的商品。其它用途还有自制导导弹、狙击枪瞄准镜、天文望远镜上的自适应组件,以及在终极清洁能源核聚变中的应用。 激光驱动了我们的CD和DVD播放器,制造出全息照片和舞台上的美丽光影,能标记、切割和焊接我们车上的组件。激光还能抚平我们脸上的皱纹,杀灭癌细胞,矫正近视。 就在我们上网读文章时,上百万激光束在光纤中传输着数十亿比特的信息。 激光与集成电路一起,成为了过去50年来最具革新性的技术。 激光技术所依据的理论,最早来自于爱因斯坦。1917年,爱因斯坦提出了受激发射的理论,一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。 1953年美国物理学家Charles Townes把受激辐射应用到了实践中,使用的是微波,称为微波受激发射放大(英文首字母缩写是maser)。Townes与同事Arthur Schawlow之后决定使用可见光代替微波,不过最后是Maiman实际实现了可见光受激发射放大,用可见光代替了微波,英文首字母缩写也从maser变成了laser,而laser就是“镭射”一词的来源。 第一束激光是由固态红宝石激光器产生的,几个月后,同样在1960年,竞争对手贝尔实验室则实现了氦氖激光。 1962年砷化镓二极管激光器出现了,这是第一个大的应用技术上的突破,其工作原理是今天小型商用激光器的支柱。 超过10项诺贝尔奖授予了激光相关研究,不仅有理论研究,也有用激光束存储和传输数据的应用研究。 今天最前端的研究是“飞秒”(femtosecond)激光,激光改变了单个原子中电子的“自旋”,能极大地提高硬盘能力。去年法国物理学家试验的飞秒激光原型机可以在10-15秒之内读取数据,理论上这可以让现代硬盘速度提升10万倍。 研究者认为,激光的潜力在很长一段时间内都不会耗尽。 激光技术50年发展时间表 1917年:爱因斯坦提出“受激发射”理论,一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。 1953年:美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身:微波受激发射放大(英文首字母缩写maser) 1957年:Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单词,从理论上指出可以用光激发原子,产生一束相干光束,之后人们为其申请了专利,相关法律纠纷维持了近30年。 1960年:美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光 1961年: 激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。 1962年: 发明半导体二极管激光器,这是今天小型商用激光器的支柱。 1969年:激光用于遥感勘测,激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器,测得的地月距离误差在几米范围内。 1971年: 激光进入艺术世界,用于舞台光影效果,以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。 1974年: 第一个超市条形码扫描器出现 1975年:? IBM投放第一台商用机光打印机 1978年: 飞利浦制造出第一台激光盘(LD)播放机,不过价格很高 1982年: 第一台紧凑碟片(CD)播放机出现,第一部CD盘是美国歌手Billy Joel在1978年的专辑52nd Street。 1983年: 里根总统发表了“星球大战”的演讲,描绘了基于太空的激光武器 1988年: 北美和欧洲间架设了第一根光纤,用光脉冲来传输数据。 1990年:激光用于制造业,包括集成电路和汽车制造 1991年: 第一次用激光治疗近视,海湾战争中第一次用激光制导导弹。 1996年: 东芝推出数字多用途光盘(DVD)播放器 2008年: 法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤 2010年: 美国国家核安全管理局(NNSA)表示,通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘(质量数2)和氚(质量数3),解决了核聚变的一个关键困难。 激光技术,与爱因斯坦提出的受激发射理论有什么关系??Sheldon为我们作了解释: 1917年,爱因斯坦提出了受激发射的理论,一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。 这句话是说,在一个多原子体系中,电子可能处于较低的能级,也可能处于较高的能级。 如果一束外来光子经过,它的能量刚好等于两个能级之差,那么处于较低能级的电子就有可能吸收它,跃迁到较高的能级; 而处于较高能级的电子也有可能“惺惺相惜情不自禁”的跃迁到较低能级,同时放出一个光子,后者就叫做受激辐射。 放出的光子的跟外来光子相比,能量,频率,方向,相位几乎完全相同……激光就是这样产生的。 进一步考虑,如果一个体系的初始条件是,处于某个高能级的电子和某个低能级的电子数量一样多,那么受激辐射的概率和入射光子被吸收的概率相同,也就是说,一群光子经过之后,两个能级的电子的数量还是一样多。这是不可能的,因为统计力学要求一个平衡态中,处于低能级的电子总是多于处于高能级的电子。因此,一群光子过后,辐射出的光子应该比吸收的光子多。这也就是说,除了受激辐射之外,高能级的电子在没有外来光子的情况下,本就该“情不自禁”的发射光子,这叫做自发辐射。 底下有个同学问:“啥叫相同的光子?”?老孙是这样看的: 简单的说,激光就是被引诱(激发)出来的光子队列,不过这个对列是天下无敌的队列,所有的光子保持高度一致,其能量、相位(波的性质)和偏振方向都是一样一样的,团结就是力量呀。 说起来可能也难以置信,激光这个名字我们是耳熟能详,但它的诞生居然才只有50年的时间。H.G.威尔斯1898年在科幻小说《世界大战》(the war of worlds,最近的一部改编电影由汤姆.克鲁斯主演)首次描写了入侵地球的火星人用“热线”作为武器,这时候离爱因斯坦于1917年提出“受激辐射”还有20年,但一转眼间,激光的应用已经是遍地开花了,这正应了爱因斯坦那句话“想象力比知识更重要”。 Albert_JIAO曾写过“如果激光武器用到了太空中,无论是哪一种颜色的激光,在宇航员的眼中都不会看到。原因在于太空中没有空气,激光束的两侧不会发生散射,没有光线进入宇航员眼睛中,只有当激光照射到一个物体上时,才可以看到一个斑点。”沐右觉得: 应该是这样子的。太空里面的物质实在是太稀薄了,散射光太少了。 消息来源:spacemart网站报道
图片来自 spacemart网站 拟南芥 审稿 想分享科技新鲜事,跟大伙儿谈论热点话题背后的科学?却懒得写长文章,或不知怎么参与?现在可以编译短文或写原创小文章,投稿给资讯频道,与大家共享信息。 详情 >>
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