汤斯的意外之举和激光器发明的科学探索

激光是20世纪中叶以后近二三十年内发展起来的一门新兴科学技术.它是现代物理学的一项重大成果,是量子理论、无线电电子学、微波波谱学以及固体物理学的综合产物,也是科学与技术、理论与实践紧密结合产生的灿烂成果.     

激光器的“意外发明”

 激光的发明,是现代物理学的发展取得的重要成果之一.从激光的基础理论提出到激光器的发现,经历了将近半个世纪.激光的发明过程颇具曲折性:本世纪初已经提出了激光的基础理论--受激辐射及其相干性,然而激光器的发明却是60年代初的事情.基本概念最初是针对光波段提出的,但人们却是先在微波波段利用受激辐射制成了微波激射器,而后才发展了激光器,即走过了光波-微波-光波这样的曲折道路(图1).     

1960年5月16日：梅曼建造了第一部可运作的激光器

21 世纪,激光的使用无所不在,形成了每年几十亿美元的产业,随便举几个例子,电信、数字光盘播放器(DVD player)、结账扫描机、切割及焊接器、眼睛手术、刺青移除、牙科和医学等都是激光的市场。     

梅曼和世界上第一台激光器

 激光是当代科学技术最重要的发明之一。1960年5月,美国加里福尼亚州休斯飞机公司年仅33岁的梅曼（T.Maiman） 试制成世界上第一台激光器。这以后,各种类型的激光器相继出现,性能逐步完善,它的广泛应用,对科学技术的发展起了极其深刻的影响,梅曼的名字和他的第一台红宝石激光器一起垂青科技史册。梅曼研制第一台激光器走过了颇为曲拆的道路,他的这一经历充满了创新精神,在30年后的今天,对人们仍有启示作用。     

激光电子散射中的最大可能增益

借鉴自由电子激光(FEL)发展之初Madey对自由电子激光器中受激辐射引起的增益的讨论,通过在激光场中的量子电动力学(QED)的模型中引入激光电子系统初态态密度以及由不确定的系统初态到确定光子末态的跃迁速率,推导了激光电子正碰过程中受激辐射至单一电磁模式产生的最大可能增益。采用成功得到X射线或γ射线光子的三个激光电子Compton背散射实验的实验参数计算了激光电子散射过程中的最大可能增益,与第一台X射线自由电子激光(XFEL)中的最大可能增益作比较,进而对激光电子散射作为激光光源的可行性进行评估。计算结果表明,现有的能够得到X射线光子或γ射线光子的激光电子散射实验中的最大可能增益远低于第一台XFEL中的。本工作未能找到合适的激光电子参数以获得比第一台XFEL中更高的最大可能增益,但是在入射电磁波位于射频波段范围内找到了能够实现较高增益的参数组合。     

原子—分子混合激发及所产生的受激和相干辐射

用适当波长的激光混合激发原子－分子样品，和通过原子－分子碰撞能量转移，可产生从紫外到红外宽波段范围内的受激和相干辐射，其中包括固定波长辐射，可调谐辐射以及宽带辐射以及宽辐射。这是一个物理涵义极为丰富并具有应用前景的研究领域。     

Radiative Lifetime Measurements of Even-Parity Levels of Singly Ionized Erbium

Radiative lifetime measurements were performed by time-resolved laser-induced fluorescence (LIF) technique for eight even-parity levels of the astrophysically important ion Er over the energy range from 33753 to 55317 cm^-1. Free erbium ions were generated by a laser-induced plasma. A narrow bandwidth UV laser pulse (1 ns) was employed to populate selectively the short-lived upper levels, and the lifetime value were evaluated from the time-resolved fluorescence signals. The lifetimes reported fall in the range of 3-35ns with the experimental accuracy 5-8%.     

受激渡越辐射光学速调管

本文提出一种基于受激渡越辐射的的光学速调管新方案。应用著名的Madey定理对这种新型的自由电子激光器进行了分析和计算,其中包括自发辐射的和受激辐射的分析讨论。结果表明,Madey定理确能简化复杂的计算,并给出清楚的物理概念;同时计算还表明,受激渡越辐射光学速调管具有大的输出增益。文中对N个介质区构成的多级光学速调管情形也进行了讨论。 关键词：     

诺贝尔物理学奖百年回顾

 （续前）１９６１年霍夫斯塔特（ＲｏｂｅｒｔＨｏｆｓｔａｄｔｅｒ,１９１５-１９９０）因开创电子与原子核散射方面的研究并运用这种方法获得了有关原子核结构的概貌,穆斯堡尔（ＲｕｄｏｌｆＬｕｄｗｉｇＭｏｓｓｂａｕｅｒ,１９２９一）因研究ｙ辐射的共振吸收并发现了以他的名字命名的穆斯堡尔效应,共同分享了１９６１年度诺贝尔物理学奖。从１９５０年开始,霍夫斯塔特就利用斯坦福大学直线加速器提供的高能电子轰击金、铅、铝和被等原子核靶,然后按照电子的能量以及它们偏离入射方向的角度把电子进行分类,从而描绘出核内核子电荷分布的图像,进而得到原子核结构的概貌。     

微腔中单量子点的受激辐射行为

研究了微腔中单模光场与一个三能级量子点相互作用系统.利用系统主方程作数值模拟计算微腔中单量子点的净受激辐射率随量子点和腔模耦合强度的变化,同时研究激光能级间衰减率γ23对净受激辐射率的影响.发现净受激辐射率随泵浦强度增大而呈现较快趋于饱和的曲线,这些饱和曲线随着耦合强度的增加又较快地趋于一个极值.而激光能级间衰减率γ23的增大使该激光的净受激辐射率的曲线组表现出相反的规律.     

间距可调的双模正方形微腔激光器(特邀)

针对双波长激光器间距精细调谐的需求,基于正方形微腔的模场分布,设计了中心及四个角区电流注入窗口的正方形微腔激光器.利用有限元法对提出的结构进行分析,发现改变腔体折射率分布差,可以调控基横模和一阶横模的波长间距.基于半导体平面加工工艺成功制备了边长为30μm的非均匀注入正方形微腔激光器.当注入电流从42 mA增加到53 ...     

间距可调的双模正方形微腔激光器(特邀)EI北大核心CSCD

针对双波长激光器间距精细调谐的需求,基于正方形微腔的模场分布,设计了中心及四个角区电流注入窗口的正方形微腔激光器。利用有限元法对提出的结构进行分析,发现改变腔体折射率分布差,可以调控基横模和一阶横模的波长间距。基于半导体平面加工工艺成功制备了边长为30μm的非均匀注入正方形微腔激光器。当注入电流从42 mA增加到53 mA时,该激光器的波长间隔从0.18 nm减小到0.1 nm,强度比小于4 dB。除此之外,继续增加电流,由于双模间隔的进一步减小,出现了明显的单周期振荡现象。     

掺钕微球的受激辐射激光和自受激拉曼散射

采用溶胶-凝胶法在SiO_2微球表面覆盖上一薄层Nd~(3+)掺杂SiO_2,并经电极放电熔融后形成表面光滑的高Q值微球.采用锥光纤将808 nm的抽运激光耦合入钕离子掺杂的高Q值微球形成回廊模,激发产生了1080—1097 nm波段受激辐射激光.由于所产生的激光有足够高的功率密度,在高Q SiO_2微球中激发产生了波长为1120—1143 nm一级自受激拉曼散射激光.推导了锥光纤掺钕微球组合的自受激拉曼散射的输出功率和阈值公式.描述了输出激光的特性:阈值、输出功率、线宽、边模抑制比.     

正三角形及正方形微光学腔模式特性研究

微谐振腔模式特性研究是利用微腔研制新型光电器件的基础．为了研制出能采用平面工艺制作的定向输出的微腔激光器，文章采用解析和数值模拟方法深入研究了正三角形及正方形光学微腔的模式特性，并得到与数值模拟结果符合非常好的解析场分布及模式波长．对正方形光学微腔，把模式组合成满足正方形对称性的场分布，发现其类WG模式只存在品质因子比它小一个数量级以上的偶然简并模式，因此正方形微腔有利于实现真正的单模工作．     

铅卤钙钛矿微纳结构的受激辐射研究

铅卤钙钛矿结构具有吸光系数大、发光量子产率高、带隙可调及发射峰窄的特点,在太阳能电池、发光二极管及受激辐射等领域的研究备受关注。本文介绍了铅卤钙钛矿作为增益介质的受激辐射研究进展,对已报道的纳米晶、微米晶及薄膜的受激辐射性能进行了比较,讨论了晶体维度、泵浦条件等对受激辐射的阈值、模式的影响。针对激光器件小型化以及芯片光互联、超灵敏检测等发展趋势和需求,对该领域的机遇与挑战进行了展望。     

激光在农业中的应用

激光是一种新型光源,激光是受激辐射光放大产生的一种单色性、方向性和相干性都很好的强光光束。激光器是20世纪的重大发明之一,是人造光源的一次革命。自1960年美国的梅曼发明了第一台红宝石激光器以来,在激光产生短短的几十年时间里,无论是在激光理论还是在激光技术、激光的应用等方面都取得了突飞猛进的发展。激光已经在工业、国防、医学等领域获得愈来愈多的应用。近10年来,激光在农业中的应用也取得了可喜的成果。     

同时辐射六种可见波长的CW-氦氖激光器的稳频及其输出的650nmCW氦氖受激Raman辐射

在中国计量科学研究院研制的612激光管上,利用反射率为99.95%宽带激光反射镜,得到同时辐射六种波长的连续振荡,其波长为:611.8,629.8,632.8,635.1,640.1和650um,测量了它们的物理参数,验证了650nm为氦氖Raman激光.对六种波长在简易装置上进行了稳频,各条激光谱线的频率稳定性优于10~(-10),利用锁模技术,各条激光谱线的频率稳定性可达10~(-12).     

双微环谐振腔耦合的双波长半导体激光器（英）

提出一种新颖的单片集成双微环耦合的双波长半导体激光器结构。集成于激光腔内的2个微环谐振腔作为模式选择滤波器,通过游标效应选择谐振模式,同时还可作为等效的反射镜面以形成行波腔。这种无需解理的行波激光腔代替了需要解理面的法布里-珀罗驻波腔。理论仿真表明,跟驻波腔结构相比,行波腔双微环激光器结构简单,可获得约34 mA的较低的阈值电流和大于31 dB的边模抑制比。合理地控制有源区的增益峰值和谐振模式分布,该激光器能提供一致性和稳定性较好的双波长激光输出。     

双微环谐振腔耦合的双波长半导体激光器（英）

提出一种新颖的单片集成双微环耦合的双波长半导体激光器结构。集成于激光腔内的2个微环谐振腔作为模式选择滤波器,通过游标效应选择谐振模式,同时还可作为等效的反射镜面以形成行波腔。这种无需解理的行波激光腔代替了需要解理面的法布里-珀罗驻波腔。理论仿真表明,跟驻波腔结构相比,行波腔双微环激光器结构简单,可获得约34 mA的较低的阈值电流和大于31 dB的边模抑制比。合理地控制有源区的增益峰值和谐振模式分布,该激光器能提供一致性和稳定性较好的双波长激光输出。     

冲击波引发的相干光

美国Livermore国家实验室的E．Reed教授最近发现了一种新的相干辐射光源，它与过去的激光以及自由电子激光有明显的差别．这种类型的新相干光子是通过将冲击波射入晶体后产生的，这些光子的相干性有点类似于发生激光的机制，但它与激光不同的是，它不是一种受激辐射；它更像是在靶晶体点阵内一行一行原子的协调运动所产生的结果。