第一台激光器——红宝石固体激光器

第一台激光器——红宝石固体激光器

摘要：本文主要回顾了第一台激光器的研制历程，介绍了红宝石激光器的工作原理和它的发明者梅曼先生。

一、发展历程

1917年，爱因斯坦(Einstein)在气体平衡计算的工作中，发现在自然界存在着两种发光形式:一种是自发辐射，一种是受激辐射。前者指的是自然光的发光形式，而第二种正是产生激光的基础理论。激光的定义就是:“利用辐射的受激辐射实现的光放大”( Light amplification by the stimulated emission of radiation )。爱因斯坦的观点被当时的第一次世界大战的枪炮声所淹没，对于受激辐射这一重妥概念的意义没有被人们及时认识到. 1921年，发明磁控管，从此开始了微波的研究。

1927年，狄拉克(Dirac)根据感应辐射的属性提出创制星子书瞬浮的建议。 1934年，克赖克汤和威廉}i} i}i}于振荡器发现了电磁波和分a:.的相互作用。这是最旱期的电磁波谱学实验。

30年代，一些科学家建立的量子力学理论，使爱因斯坦的这两种发光形式的物理内容得到更为深刻的阐明。同时，近代光谱学的发展，也为激光光的出现奠定了的理论基础.

1944年，扎沃依斯基发现了电子的顺磁共振，打下了对微波波段电子顺磁能级研究的基础.

1945年第二次世界大战结束以后，大扰物理学家问到大学工作，在大学里建起了强大的新设备.他们开始着手进行微波波谱学山研究。当时，韦伯(Webber )、法布里肯特、巴索夫(tacos)和普罗霍洛夫(11po1。二。。)以及汤斯(\等科学家分别提出了用受激辐射获得放大的设想。这是激光理论发展的重要起点.

1946年在美、英两国几乎同时发现氨谱线中的精细结构和超精细结构。 关于波谱学最显著的成果是发现氢原子谱-的兰姆位移。这是哥伦比亚大学的兰姆( Larnb)和另一同事的共同成果。他们曾具休地论述了观测净受激发射(负吸收)的可能性，明确指出了粒子数反转能够在何种状态实现，并针对一定的入射波，粗略计算了它的增益。

作为激光的物理基础—受激辐射早在1917年就为人所知.可是，从1917年到1950年30多年来，在实验上却一直没有人去证明这个过程的存在.人们以为，要想在小于一亿分之一秒的时间里进行原子受激发射的宏观观察是难于做到的。但在后来激光器制成后.实验工作并不象人们最初所设想的那样艰难。从1940年观察到离子数反转到激光器，这中间仅仅一步之差，可是这“一步”却一直走了20年.

人类对电磁波的利用和无线电技术的发展，使社会和生产急需把这种利用由无线电波段向微波波段扩展，这就导致了微波放大理论及其器件的产生.

1951年，美国的汤斯提出了利用受激辐射获得放大的原理首先获得微波放大的设想.同年，普塞耳(I'urcell)和庞德(Pound)用核磁共振所进行的一次实验，造成了粒子数反转，进一步确认了受激辐射过程，给微波放大器的产生带来了希望。其后，汤斯进行了两年半的艰苦工作，干1953年末和果尔登(Gordon )、

蔡格尔(Zeiger)等人在哥伦比亚大学成功地制成了波长为1.25厘米的氨分子微波量子放大器。亦即脉塞(Microwave amplification by the stimulated emission of radiation).后来，因为“在量子力学领域的基础工作导致建立在脉塞和激光原理上的振荡器和放大器的制造”，汤斯和莫斯科列别捷夫研究所的巴索夫和普罗霍洛夫一起得到了1964年的诺贝尔奖金。

1956年，布隆贝根(Bloembcrgen)在一种可调谐高功率宽频带量子放大器的思想指导下，提出了三能级固体量子放大器的制造方法.同年，贝尔(Dell)电话实验室的斯科维耳(Scovii ) ,费尔(Feher)和塞德尔(sc;idel)等人研制出第一部这种三能级固体量子放大器.

1957年末，密执安(I1'lichi,}an)人学工程研究院的马克霍夫(Makhov ) ,菊池( Kikuchi )、兰比(L}mbe)和特尔秀尼(Terhune )等人又用红宝石获得了微波固体量子放大.

1960年7月，在美国加利福尼亚州(California)休斯(Ilughes)飞机公司研究实验室工作的科学家梅曼首一先发明了历史上第一台激光器——红宝石(Ruby)固体脉冲激光器。他用了一块边一长约1厘术的人造红室石，把它相对的两面镀上银。当晶体放在一架闪光灯(灯光被长为X500埃)下照射时，使能级实现粒子数反转，晶体便产生了一种波长为8943埃的脉冲辐射。这是一种恰好在可见光内的深红色激光。

二、理论基础

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。

三、红宝石激光器的发明者——希尔多?梅曼

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。

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SamGoudsmit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。

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。