原子分子光物理导论

1、激光可以说是继原子能、计算机、半导体之后又一重大发明，无论是对于物理理论发展， 还是对于生产实践来说，可以说是无可代替的。原理：激光是指受激辐射而产生的，放大的光。受激辐射是外界辐射场的控制下的发光 过程，与自发辐射是有本质区别的。它必须要有外来光子携带= hu = E1 -E2的能量， 且与受辐射光子处于同一光子态，并使外来光子得到放大du。历史进程：爱因斯坦在20世纪20年代左右，描述了原子的受激辐射，提出了一套全 新的技术理论光与物质相互作用。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒 子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到 （跃迁）到低能级

2、上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能 出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。 时光 推移整整30年，1958年，美国科学家肖洛（Schawlow）和汤斯（Townes）发现了一种神奇 的现象：当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、 始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了激光原理，即物质在受到与其分子固 有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光一激光。他们为此发表了重要论 文，并获得1964年的诺贝尔物理学奖。2年之后，1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼

3、宣布获得了波 长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第 一个将激光引入实用领域的科学家。同年7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器诞生，梅 曼的方案是，利用一个高强闪光灯管，来激发红宝石。由于红宝石其实在物理上只是一种掺 有铬原子的刚玉，所以当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的 红宝石的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱， 当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。除了上述的红宝石激光器之外，前苏联科学家尼古拉巴索夫同样在1960年发明了半 导体激光器。半导体激光器的结构通常由p层、

4、n层和形成双异质结的有源层构成。其特点 是：尺寸小、p合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性 好。（2.0）至此，人类在激光方向搭建了一个崭新的舞台，激光不仅仅只是局限于理论上的研究分 析，它向普通大众敞开了大门。从VCD、DVD光盘到激光照排，激光的使用大大提高了效率，以及方便人们保存和提取信息；激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、 形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工，激光加工系统与计算机数 控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、 高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。（1.2）下面

5、，仅举 3例运用：激光通信， 是激光在大气空间传输的一种通信方式。激光大气通信的发送设备主要 由激光器（光源）、光调制器、光学发射天线（透镜）等组成；接收设备主要由光学接收天 线、光检测器等组成。信息发送时，先转换成电信号，再由光调制器将其调制在激光器产生的激光束上，经光 学天线发射出去。信息接收时，光学接收天线将接收到的光信号聚焦后，送至光检测器恢复 成电信号，再还原为信息。大气激光通信的容量大、保密性好，不受电磁干扰。但激光在大 气中传输时受雨、雾、雪、霜等影响，衰耗要增大，故一般用于边防、海岛、跨越江河等近 距离通信，以及大气层外的卫星间通信和深空通信。早期的激光大气通信所用光源多数为二

6、氧化碳激光器、氦一氖激光器等。二氧化碳激光 器输出激光波长为10.6微米，此波长正好处在大气信道传输的低损耗窗口，是较为理想的通 信光源。从70年代末到80年代中期，由于在技术实现上难以解决好全天候、高机动性、高灵 活性、稳定性等问题，激光大气通信的研究陷入低潮。1988年，巴西宣布研制成功一种便携式半导体激光大气通信系统。这种通过激光器联通 线路的军用红外通信装置，其外形如同一架双筒望远镜，在上面安装了激光二极管和麦克风。 使用时，一方将双筒镜对准另一方即可实现通信，通信距离为1千米，如果将光学天线固定 下来，通信距离可达15千米。1989年，美国成功地研制出一种短距离、隐蔽式的大气激光通

7、信系统。1990年，美国试验了适用于特种战争和低强度战争需要的紫外光波通信，这种通信 系统完全符合战术任务的要求，通信距离为25千米；如果对光束进行适当处理，通信距离 可达510千米。90年代初，俄罗斯研制成功了大功率半导体激光器，并开始了激光大气通信系统技术的 实用化研究。不久便推出了 10千米以内的半导体激光大气通信系统并在莫斯科、瓦洛涅什、 图拉等城市应用。在瓦涅什河两岸相距4千米的两个电站之间，架设起了半导体激光大气通 信系统，该系统可同时传输8路数字电话。在距离瓦洛涅什城约200千米以及在距莫斯科不远 的地方，也开通了半导体激光大气通信系统线路。随着半导体激光器的不断成熟、光学天线制

8、作技术的不断完善、信号压缩编码等技术的 合理使用，激光大气通信正重新焕发出生机。(3.0)激光冷却：这一技术早期的主要目的是为了精确测量各种原子参数，用于高分辨率 激光光谱和超高精度的量子频标(原子钟)，后来成为实现原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验 方法。虽然早在20世纪初人们就注意到光对原子有辐射压力作用，只是在激光器发明之后， 才发展了利用光压改变原子速度的技术。激光冷却有许多应用，如：原子光学、原子刻蚀、 原子钟、光学晶格、光镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光谱以及光和物质 的相互作用的基础研究等等。当原子在频率略低于原子跃迁能级差且相向传播的一对激光束中运动时，由于多普勒效

9、 应，原子倾向于吸收与原子运动方向相反的光子，而对与其相同方向行进的光子吸收几率较 小;吸收后的光子将各向同性地自发辐射。平均地看来，两束激光的净作用是产生一个与原 子运动方向相反的阻尼力，从而使原子的运动减缓(即冷却下来)。1985年美国国家标准与技 术研究院的菲利浦斯(willam D.Phillips)和斯坦福大学的朱棣文(Steven Chu)首先实现了 激光冷却原子的实验，并得到了极低温度(24 M K)的钠原子气体。他们进一步用三维激光束 形成磁光阱将原子囚禁在一个空间的小区域中加以冷却，获得了更低温度的光学粘胶。之 后，许多激光冷却的新方法不断涌现，其中较著名的有速度选择相干布居

10、囚禁和拉曼冷 却，前者由法国巴黎高等师范学院的柯亨达诺基(Claud Cohen-Tannodji)提出，后者由朱 棣文提出，他们利用这种技术分别获得了低于光子反冲极限的极低温度。此后，人们还发展 了磁场和激光相结合的一系列冷却技术，其中包括偏振梯度冷却、磁感应冷却等等。朱棣文、 柯亨-达诺基和菲利浦斯三人也因此而获得了 1997年诺贝尔物理学奖疽4.0)激光核聚变：目前实现核聚变已有不少方法。最早的著名方法是”托卡马克”型磁场约 束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现上述 三个条件。虽然在实验室条件下已接近于成功，但要达到工业应用还差得远。按照目前技术

11、水平，要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氤的混合气 体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量 而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束， 所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而 压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度） 时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1 皮等于1万亿分之一）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不

12、断地进行下去，所释放 出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。原理上虽然就这么简单，但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率，离需要的还差几 十倍、甚至几百倍，加上其他种种技术上的问题，使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。尽管实现受控热核聚变仍有漫长艰难的路程需要我们征服，但其美好前景的巨大诱惑 力，正吸引着各国科学家在奋力攀登。基于激光在现代的广泛运用，冒昧的做出以下展望：激光可以控制核聚变反应，可以冷却原子，是不是可以通过这种方式储存能量，或者 说可以提高能源的利用率，即精确的控制化学反应的发生，从而使其能量利用率最大化。激光通讯有没有可能代替光纤作为信息传导的媒介，进而可不可以实现用光讯号代替 电讯号，甚至于电路变成光路。我们知道物质是能量集中的产物，有没有可能在激