影响氦氖激光器输出功率的因素(60年前，人类制造出了一种神奇的光，从此它与阳光并列……)

Posted 2023-05-26

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影响氦氖激光器输出功率的因素(60年前，人类制造出了一种神奇的光，从此它与阳光并列……)

60年前的7月7日，美国物理学家西奥多·梅曼宣布世界上第一台激光器诞生。这种颜色鲜亮、始终会聚在一起的光，成为人类在20世纪继核能、电脑、半导体之后的又一重大发明。

60年来，激光被广泛用于各种领域，被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”，甚至有人将激光与太阳光并列，认为它已成为人类生活中的重要部分。在人类走向未来世纪的路途中，激光还将承担起更多重任。

作为一门历史悠久的学科，光学的最早出现可以追溯到2000多年前。中国《墨经》中记载的小孔成像、古希腊欧几里德《反射光学》都对光学进行了原始探索。

1960年，美国休斯飞机公司工程师西奥多·梅曼发明了人类第一台激光器，这让光学再次焕发青春活力。60年来，激光科技经历了一场飞跃式发展。

谈起激光，人们首先想到的可能是科幻大片中的激光武器，或是现代医疗中的激光手术刀，工业体系中的激光切割、焊接等。那么，激光究竟是如何产生的？又有怎样与众不同的特点，使它在近代光学中引领风骚？

纪律严明的光子“军队”

激光的英文叫LASER，而LASER实际上是“受激辐射光放大”这几个英文词的缩写。在国内，激光最早叫“受激光发射”。1964年，我国著名科学家钱学森建议，将 “受激光发射”按照中文意思的缩写，改称“激光”。

激光的问世，离不开物理学泰斗爱因斯坦的贡献。1917年，他发表了《关于辐射的量子理论》的论文，其中提出受激发射跃迁理论——普通光源自发辐射随机产生的光子如同散漫的平民，而受激辐射发射的光子犹如一支纪律严明的“军队”，即光子的发射方向相同、波长相同，进而大幅度地提高光源的亮度和相干性，这就是激光。

目前，激光广泛应用于军事、科研、工业、医学、航天信息以及娱乐生活中。因此，激光与原子能、计算机、半导体并称为“20世纪人类的四大发明”。

激光由于其高能量、高方向性和单色性，在军事领域常见的应用有激光测距、激光制导、激光雷达等；在科学研究中，激光的主要研究方向有超快激光、高功率激光、激光与物质相互作用、激光加速器、激光材料、激光化学等。

在工业界，激光可用于加工、切割大部分传统工艺方法无法加工的超硬材料和稀有金属等，以及3D打印特殊材料物质——这些技术不仅适用于汽车、冶金、电气仪表领域，在芯片刻蚀、制造中也有广泛应用。

在医学界，激光技术同样获得了广泛应用。1960年，世界上第一台红宝石激光器研制成功。次年，红宝石激光视网膜凝固机在眼科获得首次应用。到目前为止，临床上使用的激光医疗设备已有几十个品种，横跨基础医学、临床诊断和治疗等领域。

在航空航天、信息技术等领域，激光基于其通信频带宽、光通容量大、成本低等优点，已经开始逐步替代无线电通信。

在娱乐生活中，同样处处可见激光的身影，如激光投影、激光音乐喷泉、激光彩色内雕等。激光已经融入人们的日常生活，成为不可或缺的重要工具之一，为人类生产和文明进步作出了重要贡献。

紧跟世界脚步的中国激光技术

早在1917年，激光的物理原理就被爱因斯坦提出。然而，要实现这种受激辐射，必须将本来处在低能态的电子“运输”到较高的能态，用专业术语描述就是需要泵浦源实现粒子数反转。

1951年，美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中通过传统光源泵浦实现了粒子数反转，并获得了每秒50千赫兹的受激辐射，成功验证了爱因斯坦的理论。

随后，美国物理学家查尔斯·汤斯提出了“利用受激辐射原理来制造厘米微波振荡器”的设想。这一创造性想法成功开创了一条利用原子分子体系作为振荡器的先河。

1954年，汤斯制成了世界首台氨分子束微波激射器，并且输出了单一频率的、相干性非常好的微波。但这束微波功率太小、波长太长，缺点十分明显。

1958年，汤斯与阿瑟·肖洛合作发表了名为《红外与光学量子放大器》的论文。该文通过理论计算，给出了光学振荡条件，并提出了提升输出光功率的关键方法——采用开放谐振腔。

随着该方案的提出，又过了两年，也就是1960年，美国加利福尼亚州休斯实验室的西奥多·梅曼成功利用红宝石作为增益介质，实现了世界上首台激光器的输出（固体激光器）。紧随其后，首台气体激光器氦氖激光器、半导体激光器、钕玻璃激光器、化学激光器、染料激光器等相继诞生。

目前，中国已建成世界最高峰值功率的羲和激光装置、神光项目等高功率大能量激光器。（上海光机所神光II装置供图）

在激光器技术发展上，我国一直紧跟世界脚步。1961年，王之江院士团队研制成功中国第一台激光器（红宝石固体激光器）。1962年至1963年间，我国首台钕玻璃激光器、氦氖激光器、半导体激光器相继问世。

随着激光技术的快速发展及其展示出的强大应用前景，1964年，我国规模最大的激光科学技术专业研究所——中国科学院上海光学精密机械研究所成立。经过五十多年的发展，该所已成为以探索现代光学重大基础及应用基础前沿、发展大型激光工程技术，并开拓激光与光电子高技术应用为重点的综合性研究所。

除了通过受激辐射产生激光外，1971年，美国斯坦福大学博士生约翰·马代还提出了 “通过自由电子为增益媒质而产生，波长脉冲可自由调节”的新型激光，并在1976年实现了10.6微米激光放大。

自由电子激光具有频谱范围广、频率连续可调等优点，目前已成为最新一代的光源。在自由电子激光领域，我国于1993年完成了首台自由电子激光器的建设，又于2018年投资近百亿元，在上海张江综合性国家科学中心建设“硬X射线自由电子激光装置”。

激光的下一个甲子更美好

近年来，随着科学技术的发展，激光器的各项指标有了飞跃式的提升。

在峰值功率上，由上海光机所建造的“超强超短激光实验装置” （又称“羲和激光装置”）已输出10拍瓦激光。这个功率相当于全球平均电网功率的4000倍。通过聚焦后，该装置产生的激光功率可达每平方厘米1022至1023瓦，其强度相当于将10个太阳发射的光聚集到一根头发丝上。

如此极端强度的激光可用作加速器，帮助科学家获取高能电子束、离子束，甚至还能产生X射线、γ光、正负电子对。相较于传统加速器，激光加速器的优势在于加速梯度可提升一万倍左右。这意味着，把电子加速到非常接近光速，只需几个厘米的加速距离。

如此获得的高能粒子束，不仅可用于开展核物理相关研究，还可用于医学成像、放射化疗等。此外，如此强的激光还能用于引雷、诱导人工降雨降雪等。当激光功率密度进一步提升到每平方厘米1024瓦，将可用于探索真空特性，包括真空双折射、真空中产生正反物质等。

在激光输出能量上，目前最强的是美国加州利弗莫尔国家实验室的国家点火装置，可以在一亿分之一秒内释放两百万焦耳的能量。该激光器主要用来研究以激光束作为驱动源的惯性约束可控聚变。此外，它还可用于研究实验室天体物理相关过程、温稠密物质特性等高能量密度物理相关课题。目前，与该装置相当的激光器还有中国的神光项目、日本大阪大学的LFEX、法国的兆焦激光器LMJ等。

激光技术不仅在高功率、大能量方面有了飞跃式发展，在制冷领域的发展也不容小觑。目前，激光冷却技术能够达到的最低温度可达10-9K(低于-273.14℃)，比传统的磁致冷和稀释制冷的温度低四个量级，已非常接近绝对零度。在这样的极端低温下，不仅可以探究物质的“第五状态”——波色-爱因斯坦凝聚态，还可用作最精确的时钟。我国2016年研制的天宫二号“空间冷原子钟”，成为国际首台空间在轨运行的超高精度冷原子钟，比其他在轨运行的原子钟精度提高两个数量级。

此外，激光还被广泛应用于通讯领域。近年来，大家耳熟能详的量子通讯和量子计算机领域都离不开激光技术。目前，所有量子通信网络中都必须依靠激光通信作为载体来辅助产生、传递、发送信号。

激光诞生60年来，已完全融入人类生产生活的方方面面，任何一张图表都很难将所有对激光做出贡献的人物逐一列出。或许正如诺贝尔奖得主、美国加州理工学院教授艾哈迈德·泽韦尔所说：“没有光就没有文明，太阳光和激光已经成为我们生活的重要部分。”激光的发展还在继续，我们有理由相信，下一个甲子，激光会让生活更美好。

高亮度

单位面积内，激光中频率相同的光子数目很多，因此可以达到很高的亮度。例如，普通红宝石激光器所产生的激光亮度约为太阳表面亮度的10亿倍。

方向性

激光中的光子传播方向基本一致。同样一束初始光斑只有几厘米的光，若将这样一束普通光源从地球表面打到38万千米外的月球上，其光圈直径会扩大到1万千米以上；而通过对实验室中的氦氖激光进行扩束后，照射到月球上的光圈直径仅约2千米。

单色性

如果把激光比作一支军队，那么军队中的每个光子“士兵”的频率几乎完全一致，即光的波长近乎相同。就如国庆阅兵方阵，每位士兵的步伐频率、步幅大小几乎完全相同。这就是激光的单色性。

相干性

激光的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这是因为激光的频率、振动方向、相位高度一致，使得激光可以形成稳定的干涉图样，可应用在全息摄影术、相干断层扫描等领域。