激光素有神奇光之稱。如今,你只要稍加留意,就會(huì)發(fā)現(xiàn)激光就在我們身邊:激光唱機(jī)的動(dòng)聽樂曲不斷回蕩在樓宇之間;激光影碟機(jī)悄然走進(jìn)了千家萬戶;商場(chǎng)里商品貼的是激光防偽標(biāo)志;激光照排則包攬了所有的報(bào)刊雜志。我們遠(yuǎn)隔千里就可以同親人朋友通話,也是激光的功勞,因?yàn)楣饫w傳送的正是激光。激光雕刻細(xì)致入微,精確無比,可在鋼板、水晶等高強(qiáng)度材料上雕刻,廣泛應(yīng)用于工業(yè)打標(biāo)、激光成型、禮品標(biāo)牌。
1960年5月15日,在休斯公司的一個(gè)研究室里,年輕的美國(guó)物理學(xué)家梅曼正在進(jìn)行一項(xiàng)重要的實(shí)驗(yàn)。他的實(shí)驗(yàn)裝置里有一根人造紅寶石棒。突然,一束深紅色的亮光從裝置中射出,它的亮度是太陽表面的4倍!這是一種完全新型的光,科學(xué)家渴望多年而自然界中并不存在的光,它被命名為L(zhǎng)aser,是英文"受激輻射光放大"大縮寫,這就是激光。產(chǎn)生激光的裝置被稱為激光器。激光和激光器的問世,被稱為20世紀(jì)最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。
紅寶石激光器的工作物質(zhì)是紅寶石棒。在激光器的設(shè)想提出不久,紅寶石就被首先用來制成了世界上第一臺(tái)激光器。激光用紅寶石晶體的基質(zhì)是Al2O3,晶體內(nèi)摻有約0.05%(重量比)的Cr2O3。Cr3+密度約為,1.58×1019/厘米3。Cr3+在晶體中取代Al3+位置而均勻分布在其中,光學(xué)上屬于負(fù)單軸晶體。在Xe(氙)燈照射下,紅寶石晶體中原來處于基態(tài)E1的粒子,吸收了Xe燈發(fā)射的光子而被激發(fā)到E3能級(jí)。粒子在E3能級(jí)的平均壽命很短(約10-9秒)。大部分粒子通過無輻射躍遷到達(dá)激光上能級(jí)E2。粒子在E2能級(jí)的壽命很長(zhǎng),可達(dá)3×10-3秒。所以在E2能級(jí)上積累起大量粒子,形成E2和E1之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),此時(shí)晶體對(duì)頻率ν滿足hν=E2—E1(其中h為普朗克常數(shù),E2、E1分別為激光上、下能級(jí)的能量)的光子有放大作用,即對(duì)該頻率的光有增益。當(dāng)增益G足夠大,能滿足閾值條件時(shí),就在部分反射鏡端有波長(zhǎng)為6943×10-10米的激光輸出。
在第一臺(tái)激光器獲得成功后,梅曼又繼續(xù)對(duì)激光器在醫(yī)學(xué)治療上的應(yīng)用進(jìn)行研究,盡管當(dāng)時(shí)的公眾認(rèn)為這是一種“致死”的光線。不過,由于休斯公司并沒有再對(duì)激光器的潛在應(yīng)用進(jìn)行更多的投入,梅曼選擇了離開并于1961年創(chuàng)辦了自己的Korad公司。