1.1 激光發(fā)展簡史

1.愛因斯坦的理論貢獻(xiàn)

世界上第一臺激光器出現(xiàn)于1960年，然而導(dǎo)致激光發(fā)明的理論基礎(chǔ)可以追溯到1917年，愛因斯坦（Albert Einstein）在研究光輻射與原子相互作用時，提出光的受激輻射的概念，從理論上預(yù)見了激光產(chǎn)生的可能性。20世紀(jì)30年代，理論物理學(xué)家又證明受激輻射產(chǎn)生的光子的振動頻率、偏振方向和傳播方向都和引發(fā)產(chǎn)生受激輻射的激勵光子完全相同。

如果光源的發(fā)光主要是受激輻射，就可以實(shí)現(xiàn)光放大效應(yīng)，也就是說能夠得到激光。但是，普通光源產(chǎn)生的光輻射以自發(fā)輻射為主，受激輻射的成分非常少，沒有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值，因此，愛因斯坦當(dāng)初提出的受激輻射概念并沒有受到重視。

2.激光的發(fā)明與發(fā)展

20世紀(jì)50年代，電子學(xué)、微波技術(shù)的應(yīng)用提出了將無線電技術(shù)從微波（波長為厘米量級）推向光波（波長為微米量級）的需求。這就需要一種能像微波振蕩器一樣地產(chǎn)生可以被控制的光波的振蕩器，這就是當(dāng)時光學(xué)技術(shù)迫切需要的強(qiáng)相干光源，即激光器。當(dāng)時利用微波振蕩器產(chǎn)生微波的方法，是在一個尺度與波長可比擬的封閉的諧振腔中，利用自由電子與電磁場的相互作用實(shí)現(xiàn)電磁波的放大和振蕩。由于光波波長極短，很難用這種方法實(shí)現(xiàn)光波振蕩。美國科學(xué)家湯斯（Charles H.Townes）、前蘇聯(lián)的科學(xué)家巴索夫（Nikolai G.Basov）和普羅克霍洛夫（Aleksander M.Prokhorov）創(chuàng)造性地繼承和發(fā)展愛因斯坦的理論，提出利用原子、分子的受激輻射來放大電磁波的新方法，并于1954年發(fā)明了氨分子微波振蕩器——一種在微波波段的受激輻射放大器（Microwave amplification by stimulated emission of radiation，Maser）。

Maser的成功，證明了受激輻射原理技術(shù)應(yīng)用的可行性。由此，許多科學(xué)家設(shè)想把微波激射器的原理推廣到波長更短的光波波段，從而制成受激輻射光放大器（Light amplification by stimulated emission of radiation，Laser）。湯斯和貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Laborary）的肖洛（Arthnr L.Schawlow）在合作研究的基礎(chǔ)上，于1958年在《物理評論》（Phys.Rev.1958，vol.112，1940）雜志上發(fā)表了題為《紅外和光學(xué)激射器》（Infrared and Optical Maser）的論文，討論并概括了光波段受激輻射放大器的主要問題和困難，給出了實(shí)現(xiàn)光受激輻射放大需要滿足的必要條件，提出了利用尺度遠(yuǎn)大于波長的開放式光學(xué)諧振腔（借用傳統(tǒng)光學(xué)中F-P干涉儀的概念）實(shí)現(xiàn)激光器的新思想。這篇文章標(biāo)志著激光時代的開端，從此，激光研究領(lǐng)域翻開了新的篇章，全世界許多研究小組紛紛提出各種實(shí)驗(yàn)方案，競相投入研制第一臺激光器的競賽中。

1960年5月，美國休斯公司（Hughes）實(shí)驗(yàn)室從事紅寶石熒光研究的年輕人梅曼（Theodore H.Maiman）經(jīng)過兩年時間的努力，制成了世界上第一臺紅寶石固體激光器（波長694.3nm）。梅曼的方案是利用摻鉻的紅寶石晶體做發(fā)光材料，用發(fā)光強(qiáng)度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源，如圖1-1所示。同年7月，休斯公司召開新聞發(fā)布會，隆重宣布激光器的誕生，從此開創(chuàng)了激光技術(shù)的歷史。

隨后，各種類型的激光器層出不窮，激光技術(shù)迅速發(fā)展。1960年12月，貝爾實(shí)驗(yàn)室的賈范（Javan）、海利特（Herriot）、貝納特（Bennett）等人利用高頻放電激勵氦氖（He-Ne）氣體，制成世界上第一臺氦氖激光器，可輸出波長1150nm上下幾種波長的連續(xù)光，在其影響下產(chǎn)生了一系列氣體激光器。1962年出現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器；1964年帕特爾（C.Patel）發(fā)明了第一臺二氧化碳（CO2）激光器；1965年發(fā)明了第一臺釔鋁石榴石（YAG）激光器；1967年第一臺X射線激光器研制成功；1968年開始發(fā)展高功率CO2激光器；1971年出現(xiàn)了第一臺商用1kW CO2激光器，高功率激光器的研制成功，推動了激光應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展；1997年，美國麻省理工學(xué)院的研究人員研制出第一臺原子激光器。

與此同時，選頻、穩(wěn)頻、調(diào)制、調(diào)Q、鎖模等各種激光技術(shù)也相繼出現(xiàn)。各種科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域紛紛應(yīng)用激光并形成了一系列新的交叉學(xué)科和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

現(xiàn)在已在幾千種工作物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了光放大或制成了激光器，如氣體激光器、液體激光器、固體激光器、化學(xué)激光器、準(zhǔn)分子激光器和半導(dǎo)體激光器等。激光的應(yīng)用遍及通信、信息處理、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事、科學(xué)研究等許多領(lǐng)域。

3.中國激光技術(shù)的發(fā)展

在國際上熱烈開展激光研究的同時，我國也在積極開展這項(xiàng)研究。我國第一臺激光器于1961年8月研制成功，是中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所王之江領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)并和鄧錫銘、湯星里、杜繼祿等共同實(shí)驗(yàn)研制的，所以中國光學(xué)界尊稱王之江為“中國激光之父”。他研制的激光器也是紅寶石激光器，但在結(jié)構(gòu)上與梅曼的有所不同，最明顯的地方是，泵浦燈不是螺旋氙燈，而是直管式氙燈，燈和紅寶石棒并排地放在球形聚光器的附近，如圖1-2所示。這是因?yàn)榻?jīng)過王之江的計(jì)算，這樣會比螺旋氙燈獲得更好的效果。實(shí)踐證明，這種設(shè)想和計(jì)算是正確的，如今世界上的固體激光器大都是采用這種方式。

此后短短幾年內(nèi)，激光技術(shù)迅速發(fā)展，各種類型的固體、氣體、半導(dǎo)體和化學(xué)激光器相繼研制成功。在基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)方面、一系列新概念、新方法和新技術(shù)（如腔的Q值突變及轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、行波放大、錸系離子的利用、自由電子振蕩輻射等）紛紛提出并獲得實(shí)施，其中不少具有獨(dú)創(chuàng)性。

同時，作為具有高亮度、高方向性、高質(zhì)量等優(yōu)異特性的新光源，激光很快應(yīng)用于各個技術(shù)領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力和競爭力。通信方面，1964年9月用激光演示傳送電視圖像，1964年11月實(shí)現(xiàn)3～30km的通話。工業(yè)方面，1965年5月激光打孔機(jī)成功地用于拉絲模打孔生產(chǎn)，獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益。醫(yī)學(xué)方面，1965年6月激光視網(wǎng)膜焊接器進(jìn)行了動物和臨床實(shí)驗(yàn)。國防方面，1965年12月研制成功激光漫反射測距機(jī)（精度為10m/10km），1966年4月研制出遙控脈沖激光多普勒測速儀。

目前，以激光器為基礎(chǔ)的激光技術(shù)在我國得到了迅速的發(fā)展。激光已滲透到各個學(xué)科領(lǐng)域，極大地促進(jìn)了這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。激光產(chǎn)業(yè)正在我國逐步形成，其中包括激光音像、激光通信、激光加工、激光醫(yī)療、激光檢測、激光印刷設(shè)備及激光全息等。

4.“激光”名稱的由來

“激光”在英文中是Laser，即Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation一詞的縮寫，意譯為“受激輻射引起的光放大”，一直到1964年年底，還沒有一個統(tǒng)一的、大家認(rèn)同的中文名稱。1964年10月，錢學(xué)森致信《受激光發(fā)射譯文集》（即現(xiàn)《國外激光》）編輯部，建議稱為“激光”，同年12月，在全國第三屆光受激輻射學(xué)術(shù)會議上，正式采納了錢學(xué)森的這個建議，從此，“Laser”的中文譯名統(tǒng)一稱為“激光”。