激光之谜

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本世纪50年代，无线电电子学飞速发展，为了探求产生更短的相干电磁波，1954年美国哥伦比亚大学的汤斯首次制成了氨分子微波激射器，由此打开了通向激光的道路。1960年世界第一台以红宝石为受激物体的激光器由美国物理学家梅曼研制成功。激光器的问世轰动了全美国，出现了光学物理的“文艺复兴”时代。激光的出现与发展，说要是靠从事电磁波谱学研究的学者们努力的结果，是相干电磁频谱向高频段发展的必然。它不仅是光学领域的伟大成就，更是电子学领域的伟大成就，激光为电子学的发展开创了一个崭新的局面。传统电子学的原理，借助光电、电光转换，用途遍及整个电子工程领域。

尽管目前激光技术还处于幼年时代，却已经为人类带来了几千种之多的各种激光发生器，有固体、气体、半导体、有机染料、化学、准分子、自由电子、巨脉冲等各种类型。目前激光器的波长从100埃至0.5毫米，最大连续功率达10万瓦，最大脉冲功率达10亿千瓦。

什么样的光是激光？简单地说，激光也是一种光。它与普通光，如太阳光、灯光一样也是一种电磁波。但是激光产生的方法与普通光不同，它是物质“受激”而产生的光。

1917年，爱因斯坦在统计平衡观点研究“黑体”辐射时，得到一条结论：“自然界有两种不同的发光方式。一种叫自发辐射，另一种中受激辐射”。各种各样的人造光源，例如电灯、日光灯等都属于自发辐射光。各种自然现象所发射出来的光，也都属于自发辐射。这些光都有一些共同之处，比如光线向四面八方射出，其中包含着各种各样的颜色。

激光是原子受激发射而辐射的一种光。激光是一种新型的光源，它和普通光源的区别在于发光的微观机制不同。普通光源的发光是以自发辐射为主，各个发光中心发出的光波无论方向、位相或者偏振态都各不相同。激光的发光则是以受激辐射为主，各个发光中心发出的光波都具有相同的频率、方向、偏振态和严格的位相关系。由于这些差别，激光具有强度高，单色性好、相干性好和方向性好等几个特点。

激光的亮度是高压氙灯亮度的37亿倍。激光领域是光频电子的范畴。激光器的出现，提供了光频波段的电磁振荡源。今天无线电子学概念、理论和技术原则上都可以延伸到光频波段。电子学进入了一个新的天地。电子学和光学之间鸿沟已经不复存在。光学本来是一门古老的物理学，而今由于激光的发现和应用，崛起了前途无量的光电子学。

激光在过去书中按英文译音为“莱塞”，意思是“光受激发射器”，1964年以后统称为“激光”。在一些介绍激光的书刊中还常提及一个技术名词叫做“简并度”，这是区别激光与普通光的一个技术指标。激光的简并度高达1017，而一般普通光线的简并度仅为千分之一。从电子技术角度看简并度低的光只是一片噪音，从光学角度看高简并度的光是具有高亮度的单色光。

激光从物理学上去看是电磁场，是整个电磁辐射的一个组成部分。爱因斯坦基于对电磁现象的研究，提出任何物体相互作用的传播速度都不能超过真空中的光速，每秒30万公里。

激光既然是“有质量”的电磁波，因此它与普通电磁波一样能够成为“载波”用以传播信息。但是激光在空中传播会受到许多因素的干扰，如它遇到云层、雾粒会造成严重信号衰落，遇到空气中的气流，会产生抖动、扩散等情况。因此如何避免干扰，保证传送质量是激光应用的一大关键。

1870年，美国物理学家丁达尔，在一次做流体实验时发现了一个有趣的现象，并从中受到了启发。他在一个盛满水的桶侧钻了一个小孔，水照例从小孔中喷射出来，这一现象原本不足为奇，但细心的丁达尔发现，水桶上方的灯光也随着小孔流出的水柱落在地面，竟然会出现一个光点。光应该是沿直线传播的，为什么会沿水柱的弧线传过来呢？经分析，这是因为水的光折射率比空气的光折射率大，光射到水和空气界面的时候，发生了全反射的原故。根据光的全反射原理，人们终于找到了理想的激光传输媒质——光导纤维。

1966年，有人曾预言“如果把玻璃中的铁离子控制在百万分之一以下，玻璃对光的损失可望达到一千米20dB”。这句话后半句的意思是，光可以每前进一千米，功率只下降百分之一。1970年美国克林玻璃公司发现了这一预言，他们完成了光导纤维技术上的重大突破，取得了光前进一米，功率损失降到一百亿分之一的光辉成就。

光纤维有完全不受电磁场干扰的特性，比如打雷的时候，不会出现干扰。石英做成的光纤维具有极高的绝缘性能，根本不用担心被雷电击穿。这对要求绝对可靠的全天候精密电子控制是非常有意义的。

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