激光的發(fā)明——現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期

2021-06-28 11:24:19

現(xiàn)代光學(xué)是以激光的發(fā)展為基礎(chǔ)的。激光的發(fā)明是光學(xué)發(fā)展史上一個(gè)革命性的里程碑。

紅寶石激光器的誕生使人類第一次獲得自然界不存在的光源——激光。激光由于具有高強(qiáng)度、良好的單色性和方向性，在材料加工、精密測量、通信、測距、全息檢測、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光已經(jīng)進(jìn)入了超快、超強(qiáng)的領(lǐng)域。激光可以產(chǎn)生4fs（1FS=10-15s）的超短脈沖，因此短時(shí)間尺度可以測量飛秒級的物理變化。物質(zhì)的穩(wěn)定存在是因?yàn)樵雍擞凶銐虻慕Y(jié)合力來限制電子。以氫為例，力約為1016w/cm2?，F(xiàn)在激光強(qiáng)度可以達(dá)到1021-22w/cm2。這樣激光場對原子的作用力就不再是微擾級，很容易將電子和原子核撕裂開來，從而可以探索亞原子級的微觀結(jié)構(gòu)。

激光產(chǎn)生了極端的時(shí)間尺度和極端的場強(qiáng)，極大地拓展了光學(xué)的應(yīng)用范圍，并將其擴(kuò)展到高分辨率光學(xué)測量、高強(qiáng)度非線性光學(xué)、相對論非線性光學(xué)、超快動力學(xué)和強(qiáng)場物理等領(lǐng)域。飛秒激光對分子解離過程的研究已于1999年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，利用激光超高時(shí)間分辨率的特性來探測分子的解離過程對化學(xué)研究具有重要意義。激光聚焦可獲得1012v/m的電場，超強(qiáng)激光與等離子體相互作用可產(chǎn)生比常規(guī)加速器高1000倍以上的加速電場。此外，光已成為當(dāng)代計(jì)量學(xué)的新尺度。在1983年第17屆國際計(jì)量大會上，米是光在真空中傳播1/299792458秒的路徑長度。

光是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要推動力。光學(xué)與信息、先進(jìn)制造、能源、健康和國家安全密切相關(guān)，推動著人類社會的發(fā)展。

1.光與信息：光通信、光開關(guān)、光全息、CCD成像、光量子通信、立體膠片、光學(xué)胃鏡、計(jì)算機(jī),光電探測器等，能反映光與信息的關(guān)系。以互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)為例，如果去掉光的作用，依靠光纖通信的計(jì)算機(jī)信息傳輸和依靠光刻的芯片處理將不復(fù)存在，整個(gè)信息時(shí)代將消失。光信息傳輸是先對0和1信息進(jìn)行編碼，然后解碼輸出信號。光開關(guān)決定了信息的傳遞。光響應(yīng)的速度決定了信息傳輸?shù)乃俣?。如今，人們對自動駕駛的新認(rèn)識也依賴于光學(xué)。通過光學(xué)信息的采集和處理，實(shí)現(xiàn)了車輛的行駛路線、周圍物體的避讓和路況的確定。光和信息總是緊密相連的。MCT探測器

2.光與先進(jìn)制造：光刻技術(shù)使波長越來越小，現(xiàn)在可以達(dá)到幾納米的量級和精度，甚至可以制造納米級和微米級的微結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域。激光打標(biāo)、激光切割、3D打印等應(yīng)用也隨處可見。比如現(xiàn)在70%以上的汽車結(jié)構(gòu)都是采用激光焊接技術(shù)完成的，焊接效果與原型車幾乎一樣，增加了車身的穩(wěn)定性和安全性,。

3.光與能源：LED光源因其低電壓、低能耗、高安全性而得到廣泛應(yīng)用。激光分離鈾同位素、激光聚變、太陽能利用等是光學(xué)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

4.光與健康：X射線的發(fā)現(xiàn)深刻影響了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)是X射線分析在科學(xué)家中的應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了顛覆性的變化。隨著光學(xué)顯微鏡的出現(xiàn)，人們可以觀察到細(xì)胞和染色體。隨著觀測精度提高到百納米尺度，可以觀測到高分辨率熒光蛋白的精細(xì)結(jié)構(gòu)，這對生物物理學(xué)的發(fā)展起到了很大的作用。激光美容和激光眼科手術(shù)已成為成熟的技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于美容醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

5.激光與國家安全：激光安檢、激光武器、激光制導(dǎo)、激光測距、激光導(dǎo)航等，激光幾乎是安全與國防研究領(lǐng)域的必備武器中紅外QCL激光器。

從公元前1665年墨子對光的描述到1665年顯微鏡的發(fā)現(xiàn)，1704年牛頓光學(xué)的出版，1865年麥克斯韋方程的誕生，1905年光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，1960年激光的誕生，1965年光纖理論的提出 光纖放大器, 光纖放大器，而第一代光纖技術(shù)的發(fā)展在1973年，1999年，飛秒激光作為一種時(shí)間分辨技術(shù)被用來測量超快動力學(xué)，這是光學(xué)史上的一個(gè)里程碑。21世紀(jì)是光的世紀(jì)，光以其不可替代的作用推動著科學(xué)和社會的進(jìn)步。