物理学前沿讲座
课程论文
吉首大学
物理学的发展及其带来的新技术往往能从根本上改变人类的生活。如果说在第一次工业革命中，先有蒸汽机再有热机研究进而热学的推进，即物理学研究比技术发展滞后了，那么第二次工业革命的电气化，则依赖于此前的电磁学理论发展(我们知道，在此之前电磁学理论已经由麦克斯韦等科学家建立了十分完整的体系。）。而今天我们所用到的现代电子技术，是建立在八九十年前由爱因斯坦等科学家建造的现代物理理论大厦上的。科学的发展， 正在越来越超前，而今天的高精尖，明天就可能深入你我的日常生活。
一、激光发展史
激光技术的启蒙研究发展就完全印证了上面的话。最早对激光做出理论研究的人是爱因斯坦，1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念，即处于高能级的原子受外来光子作用，当外来光子的频率与其跃迁频率恰好一致时，原子就会从高能级跃迁到低能级，并发射与外来光子完全相同的另一光子，新发出的光子不仅在频率方面与外来光子相一致，而且在发射方向、偏振态以及位相等方面均与外来光子相一致，因此，受激辐射具有相干性；在发生受激辐射时，一个光子变成了两个光子，利用这个特点，可实现光放大，并且能够得到自然条件下得不到的相干光．
受激辐射提出后，陆续有科学家进行研究。如1916-1930年间拉登堡及其合作者对氖的散的研究并于1933年绘制出散系数随放电带电流密度变化的曲线。1940年法布里坎特首先注意到了负吸收现象。这一阶段发展并不迅速。到了第二次世界大战之后，1947年兰姆和雷瑟夫指出通过粒子数反转可以受激辐射，从此激光理论的研究开始突破。1952年帕塞尔及其合作者实现了粒子数反转，观察到了负吸收现象。第二年，韦伯产生了利用受激辐
射诱发原子或分子，从而放大电磁波的思想，进而提出了微波辐射器的原理。1957年斯科威尔实现了固体顺磁微波激射器。既然微波可以激发受激辐射，那么红外乃至可见光等也应该可以。1958年汤斯和肖洛发表了著名的“红外与光学激射器”一文，1959年汤斯提出了建造红宝石激光器的建议。终于1960年由休斯航空公司的莱曼建造出第一部可用的激光装置。（我国第一台红宝石激光器于15个月后的1961年8月建成。）从此人类拥有了激光这一利器。
由于生产技术不成熟，激光技术产生之初并未有太多实际用途。后虽有切割，光束武器等应用，但又受制于制造成本高昂和气候条件复杂等。几十年来各方面工程师和专家一直努力改进创新激光技术及应用，随着激光技术的发展成熟，今天，它已经广泛地应用于生产生活的各方面。
二、激光的特点及激光器
激光的特点主要有四点，一是方向性好，激光束偏离轴线的发散角往往非常小，甚至可以用来测量地球到月球的精确距离（发射到38万公里外的月球形成的光斑直径不超过一公里）；二是亮度高，激光功率在空间高度集中，亮度是普通太阳光的百万倍；三是单性
好，比如氪激光的波长范围只有4.7微埃，比原来个公认单性最好的氪灯高出数个数量级；四是相干性好，激光器输出的光子频率、偏振、相位和传播方向都完全一致，这使得很多光学实验的精度大大提高。
激光器主要由三部分组成，一是激光工作介质，固体气体液体都可以作为工作介质，不过并不是所有物质都可以用作激光辐射，一个要求就是介质必须有亚稳态的能级结构；二是激励源，也是激光器的能量来源，用以实现工作介质的粒子数反转，可以有电光热和化学等多种激励方式；三是谐振腔，通过光学谐振腔进行光放大和选择，从而产生高能激光。
三、激光的应用
1、激光测量
利用激光亮度高和方向性极好的特点，人们先后研制成功了激光测距仪、激光雷达和激光准直仪。1969年阿姆斯特朗登月安放了反射镜，然后由地面发射激光至月球，再测量反射回来的光，测定了地月精确距离。激光雷达可以获取目标的三维图像及速度信息及速度信息，还可对大气进行监测，遥测大气中的污染和毒剂。军事上的激光制导武器，使打击目
标的精度显著提高，实际上，激光制导与激光雷达是分不开的。激光准直仪也在生产和科学实验中发挥着重要的作用，比如矿井坑道的挖掘机导向等实际应用。
2、激光在第一产业的应用
激光可用于光诱变育种，也可对农作物种子进行处理，提高产量，培育出新的品种。在飞机上安装激光装置，可以识别需要喷洒农药的树木，避免喷到空地上，减少农药用量及污染。畜牧业方面，经过激光处理的草料特别容易被吸收，处理过的山羊精子能更方便地进行人工授精。
3、激光在文娱教育和科学研究中的应用
在我们的生活中，激光产品和技术实在数不胜数。比如CD，VCD，DVD，BD光盘制品；激光打印机复印机扫描仪，激光照排机；商场中商品上的防伪标签，条形识别码，教师用的激光笔，文艺演出中的激光舞台等。虽然电脑中使用的是电讯号，但电脑厂商也在一步步发展光电脑，可以预见的将来，电子计算机中数据的传输必将抛弃电子，转向光子。
在科学研究中，激光技术使得物理实验的面貌极大地改观。激光除可以用于光学研究，还
可以用于电子加速，用于量子力学实验，用于核物理研究等等。
4、激光在基础工业中的应用
激光技术在工业中可用于材料切割、焊接、打孔、表面处理、快速成型等。在半导体工业中，激光更是光刻技术的基础。
5、激光在通讯存储的应用
随着技术进步，激光已经可以进行大气通讯。不过限于成本，其应用前景主要在军事上。在民用领域，光纤通信在现代生活中起的基础作用更是不言而喻。因特网如今深入千家万户，虽然电脑使用电磁信号，但是其实因特网上绝大部分信息是通过光波的形式传送到遥远的他处的。
6、激光在医疗上的应用
激光美容，激光切除肿瘤，激光视力矫正，激光微创手术等等，在生活中已经很常见了。同时激光与生物体的作用产生如热效应、压力效应、光化效应、电磁效应等，应用前景也非常广阔。
7、激光与能源
激光在能源利用上也有自身独特的优势。比如在核能应用中，可用激光分离同位素，提纯核原料。在机器人工业中，日本提出利用激光远程为在恶劣环境或太空中工作的机器人供能，从而解决更换电池，携带电缆等问题。人工可控核聚变是解决人类能源问题的一个非常好的办法，而实现人工可控核聚变的一个重要前景就是用高强度激光将核子打压在一起使之反应。
从上面我们看到激光从提出到变为现实的发展史用了几十年，从初生到今天无处不再又是几十年，激光及应用实际上是随着社会需求的进步而得以发展。激光的出现和发展又带动了光学，实验等学科的发展。从社会角度看，激光的产生改变了人们的生活，使之更加方便快捷。当然，激光技术还会发展下去，科学的进步将会使它更加有力地服务于人类。
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