激光的發(fā)明——現(xiàn)代光學時期

2021-06-28 11:24:19

現(xiàn)代光學是以激光的發(fā)展為基礎的。激光的發(fā)明是光學發(fā)展史上一個革命性的里程碑。

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、農業(yè)等領域得到了廣泛的應用。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，激光已經進入了超快、超強的領域。激光可以產生4fs（1FS=10-15s）的超短脈沖，因此短時間尺度可以測量飛秒級的物理變化。物質的穩(wěn)定存在是因為原子核有足夠的結合力來限制電子。以氫為例，力約為1016w/cm2?，F(xiàn)在激光強度可以達到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構。

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

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

1.光與信息：光通信、光開關、光全息、CCD成像、光量子通信、立體膠片、光學胃鏡、計算機,光電探測器等，能反映光與信息的關系。以互聯(lián)網計算機為例，如果去掉光的作用，依靠光纖通信的計算機信息傳輸和依靠光刻的芯片處理將不復存在，整個信息時代將消失。光信息傳輸是先對0和1信息進行編碼，然后解碼輸出信號。光開關決定了信息的傳遞。光響應的速度決定了信息傳輸?shù)乃俣取Ｈ缃?，人們對自動駕駛的新認識也依賴于光學。通過光學信息的采集和處理，實現(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.光與先進制造：光刻技術使波長越來越小，現(xiàn)在可以達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構，廣泛應用于生命科學和醫(yī)療領域。激光打標、激光切割、3D打印等應用也隨處可見。比如現(xiàn)在70%以上的汽車結構都是采用激光焊接技術完成的，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用。激光分離鈾同位素、激光聚變、太陽能利用等是光學的重要應用領域。

4.光與健康：X射線的發(fā)現(xiàn)深刻影響了醫(yī)學領域的發(fā)展。DNA雙螺旋結構是X射線分析在科學家中的應用，在醫(yī)學領域引起了顛覆性的變化。隨著光學顯微鏡的出現(xiàn)，人們可以觀察到細胞和染色體。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結構，這對生物物理學的發(fā)展起到了很大的作用。激光美容和激光眼科手術已成為成熟的技術，并廣泛應用于美容醫(yī)學領域

5.激光與國家安全：激光安檢、激光武器、激光制導、激光測距、激光導航等，激光幾乎是安全與國防研究領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年牛頓光學的出版，1865年麥克斯韋方程的誕生，1905年光電效應的發(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，而第一代光纖技術的發(fā)展在1973年，1999年，飛秒激光作為一種時間分辨技術被用來測量超快動力學，這是光學史上的一個里程碑。21世紀是光的世紀，光以其不可替代的作用推動著科學和社會的進步。