激光的历史课件

第一章(Historyoflaser)

激光的历史1第一章(Historyoflaser)激光的历史1Ch0激光的历史

1917年，爱因斯坦在研究黑体辐射对气体平衡计算时，发现了辐射具有两种形式，自发辐射和受激辐射，从而提出了受激辐射的理论：受激辐射

“Weintroducethefollowingquantum-theoreticalhypothesis.Undertheinfluenceofaradiationdensity…amoleculecanmakean[upward]transitionfromstatentostatembyabsorbingradiationenergy…Wesimilarlyassumethata[downward]transitionmtonassociatedwithaliberationofradiationenergy…ispossibleundertheinfluenceoftheradiationfield,andthatitsatisfiesthe[same]probabilitylaw…”

2Ch0激光的历史1917年，爱因斯坦在研究黑Einstein’sradiationlawsA.Einstein,1917Spontaneousandstimulatedemissionsofradiation3Einstein’sradiationlawsA.Ei

Einsteinwasmostlythinkingaboutblackbodyradiationandthermodynamicconsiderations.受激辐射

VanVleckin1924wasapparentlythefirsttorefertodownwardstimulatedtransitionsas"stimulatedemission".4Einsteinwasmostlythin

范.弗兰克对抗磁性和顺磁性的量子力学理论做出了重大贡献。1927年，他发现了抗磁性离子在结晶时呈现顺磁性。他采用量子力学的表述方法，揭示了物质磁性的奥秘，从而打开了通向现代磁学的大门。因此，他被誉为“现代磁学之父”。范.弗莱克还发展了晶体中磁相互作用的量子力学理论。获1977年度诺贝尔物理学奖。

JohnHasbrouckVanVleckSixthSolvayConferenceonPhysics,Brussels,thethemewasmagnetism.20-25October1930

J.H.VanVleck5范.弗兰克对抗磁性和顺磁性的量子力学理论做出QuantumRadiationTheoryQuantumelectrodynamics6QuantumRadiationTheoryQuantuQuantumelectrodynamics,19277Quantumelectrodynamics,1927788

爱因斯坦的这一设想，得到了美国物理学家托尔曼（R.C.Tolman）最早的呼应。托尔曼曾发表数篇论文讨论了粒子数反转放大特性。R.C.Tolman与粒子数反转RichardC.TolmanandAlbertEinsteinstandinginfrontofblackboardatCaliforniaInstituteofTechnologyin1932.Handwritingonnegativestates9爱因斯坦的这一设想，得到了美国物理学家托尔曼（RRobertMillikan;RichardTolman;JamesFranck

NielsBohr;RichardTolmanattheopeningoftheBicentennialConferenceon‘TheFutureofNuclearScience’.，194710RobertMillikan;NielsBohr;R

1928年，德国的兰登伯（R．W．Landenberg）在研究氖气色散现象时，发现激励电流超过一定值时，高能级氖分子布居数随电流增大而加多，结果使反常色散效应增强R．W．Landenberg：氖气色散现象这个实验实际上间接证实了受激辐射的存在，也直接给出了受激辐射的发生条件是实现粒子数反转。

111928年，德国的兰登伯（R．W．Landenb

1946年,美国物理学家布洛赫（F.Bloch）和他的小组在水样品中进行的核磁共振实验有可能是首次人为粒子数反转。F.Bloch：核磁共振实验这个实验实际上间接证实了受激辐射的存在，也直接给出了受激辐射的发生条件是实现粒子数反转。

121946年,美国物理学家布洛赫（F.Bloc1313

1951年，美国物理学家珀塞尔（E.M.Purcell）用微波波谱学的方法，测定了核磁矩。为增强微波信号，他应用了突然倒转场的方法。当外磁场极性改变比核自旋的响应快时，在氟化锂晶体中实现了核自旋体的反转分布，此时，他意外地观察到了频率为50kHz的受激辐射。E.M.Purcell：核自旋体的反转分布141951年，美国物理学家珀塞尔（E.M.Pu

应用玻尔兹曼分布规律，珀塞耳对该现象做出了解释。珀塞尔首先提出“负温度”概念，并把粒子数反转称为“负温度”状态。粒子数反转状态的实现不仅表明“负温度”并非不可逾越，而且使人们对于玻尔兹曼分布有了更全面也更深刻的认识。

E.M.Purcell,E.G.Bowen,andH.I.EwenE.M.PurcellandN.Bloembergen15应用玻尔兹曼分布规律，珀塞耳对该现象做出了解布洛赫珀塞尔1952年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州斯坦福大学的布洛赫（FelixBloch，1905—1983）和美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学的珀塞尔（EdwardPurcell，1912—1997），以表彰他们发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现。16布洛赫珀塞尔1952年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州Maser,1954

N.G.BasovА.М.Prokhorov

Ch.TownesNobelprize,1964E.M.Purcell,R.Pound;В.А.ФабрикантFIAN,USSR17Maser,1954N.G.BasovА.二战期间，美国物理学家汤斯（C.H.Townes）曾在贝尔实验室从事雷达导航系统研究。战后，他在哥伦比亚大学物理系执教期间，应军方邀请，开始致力于缩短雷达使用波长的研究。他提出利用分子受激发射的方式代替电子线路放大，实现微波放大的设想。他打算用电流加热的方式，把能量泵入氨分子中，使它们处于受激状态。当受激分子恰好处于与氨分子固有频率相同的微波波束之中时，微波波束与氨分子通过反复作用，使泵入氨分子中的能量传递到微波波束之中，原来入射的弱波束就有可能在短时间内，以雪崩方式促发为强微波波束。

C.H.Townes：微波放大18二战期间，美国物理学家汤斯（C.H.Townes）曾在贝从1951年年底，在美国海军和陆军的资助下，汤斯和他的两个学生戈登、蔡格尔一起，经过了两年的研究，终于在1954年研制成功波长为1.25cm的氨分子振荡器，他们把它称为受激辐射微波放大器，按其字母缩写为MASER，简称为脉泽。脉泽具有稳定的振动频率，可以用它制成用于计时的“原子钟”。C.H.Townes：微波放大19从1951年年底，在美国海军和陆军的资助下，汤斯和他的两个学2020

1960年，利用脉泽微波的相干性，又以10-12的相对误差，精确地证实了70多年前迈克耳孙-莫雷实验的结果。受到美国物理学家肖克莱（Shockley，WilliamBradford1910～）所研制成功的固体整流与放大器件的启发，在50年代后期，汤斯与其它科学家一起，又研制成功固体脉泽。1960年，这种固体脉泽首次被用到了回声Ⅰ号卫星，它成功地放大了从卫星发向金星，又从金星反射回卫星的几乎消失殆尽的微弱信号。脉泽的研制成功，在理论研究上的意义也相当重要。在脉泽问世前，电气工程师们只是关心如何放大，而物理学家们又只是关注了相干性，正是汤斯把这两方面结合在一起，这一结合不仅促成了脉泽的问世，也把量子力学的概念与方法成功地引入到电子技术领域，为量子电子学的建立与发展奠定了基础。C.H.Townes：量子电子学211960年，利用脉泽微波的相干性，又以10-1955年，前苏联物理学家巴索夫（N.G.Basov）和普罗霍洛夫（A.M.Prokchorov）提出了用三级能的方法实现粒子数反转。就这样，在1958年，以量子电子学的研究为基础，汤斯、肖洛和巴索夫、普罗霍洛夫等人已经分别提出了把量子放大技术用于毫米波、亚毫米波及可见光波段的可能性，这一研究为激光的诞生铺平了道路。由于在脉泽、激光及量子电子学基础理论方面的工作，巴索夫、普罗霍洛夫与汤斯共同分享了1964年诺贝尔物理学奖。

N.G.Basov和A.M.ProkchorovProkhorovandBasovshowingtheirlabtoCharlesTownes

221955年，前苏联物理学家巴索夫（N.G.Basov）和在向更短波长进发的过程中，汤斯的第一个目标是由毫米波进入亚毫米波段。然而，在一开始他就遇到了麻烦。首先，要使振荡腔的长度与波长相当，制造1厘米以下的振荡腔非常困难；其次，由于振荡腔的缩小，内含物质少又严重地限制了放大性能。在克服这一困难的过程中，汤斯发现，若把波长缩短到红外或可见光区域，腔体尺寸带来的杂散振荡反倒有可能随之减小，这使他倍受鼓舞。此时，肖洛（A.L.Schawlow）从光学中的F-P仪得到启发，提出一个设想，即用一对反射镜代替封闭的谐振腔，以控制不必要的振荡模式。

C.H.Townes和

A.L.Schawlow23在向更短波长进发的过程中，汤斯的第一个目标是由毫米波进入亚毫1958年，肖洛与汤斯联名在《物理评论》上发表了重要论文《红外与光激射器》。这篇论文不仅给出了受激辐射光产生的必要条件，而且还详细地论述了光激射器的若干理论问题，论证了F-P仪代替谐振腔减少过剩波型及自激辐射的机制，还提出了以钾蒸气为工作物质、钾灯为泵浦源的红外激射器的设计方案。肖洛与汤斯的这一设想，使许多人纷纷加入激射器的研制中。人们意识到，谐振腔的难题解决之后，重要的问题是如何实现反转分布，此外，选择工作物质与泵浦源也成为重要的问题。汤斯认为钾蒸气实现的可能性最大。早在提出设计方案前，他就已经着手试验了。

C.H.Townes和

A.L.Schawlow241958年，肖洛与汤斯联名在《物理评论》上发表了重要论文《红2525肖洛则转向红宝石研究。前苏联列别捷夫物理研究所的巴索夫则提出以半导体材料为工作物质的方案。除了光泵法以外，贝尔实验室的贾万（A.Javan）提出放电法连续运转的氦氖激光器方案。1959年9月在纽约举行的首届量子电子学会议上，仅提交的激光器设计方案就有数十份，设计者们都在加快步伐，一场激烈的竞争在激烈地展开着。首先摘取激光器发明桂冠的是休斯飞机公司所属研究室的美国物理学家梅曼（T.H.Maiman）。C.H.Townes和

A.L.SchawlowA.JavanandN.G.Basov,195926肖洛则转向红宝石研究。前苏联列别捷夫物理研究所的巴索夫则提出27271959年9月在纽约举行的首届量子电子学会议281959年9月在纽约举行的首届量子电子学会议28

梅曼曾提出利用反转分布使氢原子的不同能态间产生受激辐射的设想，并以这一设想展开了他的博士论文《利用波和光的双共振研究氢原子的激发态》。1956年，梅曼到休斯飞机公司致力于红宝石微波放大器的研究，1959年8月转而研制激光器。由于他对红宝石的经验，经过一番选择后，他选用了掺钕红宝石晶体作为工作物质，以脉冲氙灯作为光泵，终于在1960年5月获得了成功。

T.H.Maiman29梅曼曾提出利用反转分布使氢原子的不同能态间产

梅曼等人研制成功的第一台激光器的工作物质是长2cm、直径1cm的掺钕红宝石棒，它的两端被磨平后镀银，其中一个镀银面中心有一个直径1mm的透光孔，泵浦光源为螺旋形氙灯。T.H.Maiman30梅曼等人研制成功的第一台激光器的工作物质是长Laser,1960T.H.Maiman:Firstlaser,consisitingofarubybar(Cr3+:Al2O3)withtwoparallelfacesasresonatoranda