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標題圖示最新消息相關新聞/1960的第一道光

1960的第一道光

 
2018/05/15 倪簡白 | 國立中央大學物理學系     1,267
原子的激發輻射
 
1960年5月16日美國加州休斯實驗室宣布首次製造雷射成功,這項發明由麥曼(Maiman)利用紅寶石晶體,產生了受激輻射(Stimulated emission),可以說是人類第一次試驗光學雷射,但非為肉眼可見的雷射光。雷射和一般光線不同,它是一種受激輻射。受激輻射的觀念是愛因斯坦於1916年所提出的。一般原子有能階,且通常都處於能量最低的基態。一但原子得到能量後,便有機會躍遷至激發態。經過很短的時間,處於激態的原子會以輻射的方式放出光子釋放能量再返回基態;原子也可能以其他的方式釋放能量,例如:經由碰撞將能量施予其他原子。要將原子激發的方式有很多種,例如:吸收光子、靜電放電或化學反應等。處於激發態的原子數目視外加能量的強度而定。然而,激發態的原子可以自動地返回基態,也可以被外界的光誘導而返回。以上第一種過程稱為自發輻射(Spontaneous emission),第二種過程即為愛因斯坦於1916年所提出的受激輻射(stimulated emission)。原子經由輻射激發可產生與誘導光子同波長且同相位的光子。如此透過連鎖的反應,一個光子變兩個,兩個變四個,如此重複後,最後形成一光學放大的行為,此即為雷射放光的基礎原理。
 
 
 
雷射產生的機制
 
要達到受激輻射的光放大,先決條件為激發態的原子數目要比基態多,使其產生居量反轉(population inversion)。在一般狀況下,永遠都是基態的原子占多數,所以要產生居量反轉並不容易。例如:紅寶石雷射所激發的是鉻原子離子Cr3+,波長為694.3奈米(nm),代表激發態與基態的能量差為1.78 eV。根據波茲曼分布(Boltzmann distribution),需要達到20,000度以上的高溫 (室溫的能量約0.04 eV)原子才具有此能量。而麥曼等人則是利用放電的閃光燈管來激發紅寶石中的原子以達到此能量。
 
 
雷射光的優點為高準直性、光束發散角小、高同調性及單色性等。前兩項屬雷射光束的特性,後兩項屬光波的特性。發散角小的光束,能使雷射光傳播至很遠的距離,例如雷射光發射到達月球時,光束只有幾公里寬,能量相當集中。同調性(coherent)為每束光波之間保有相同相位的程度,好比行軍時軍人們齊步而行而沒有亂了步伐。單色性的意思就指是波長的純度。例如紅寶石雷射的波長為694.3 nm (其實也有一些偏差,但比任何其他光源如汞燈精準許多)。
 
麥曼在1960年的發現首先投稿至《物理評論快報》 (Physical Review Letters),但是被拒,於是轉投《自然期刊》 (Nature),他的一篇兩頁簡短的報告被接受了。根據諾貝爾獎得主湯恩斯(Charles Townes)回憶,當麥曼宣布發明紅寶石雷射時,並沒有紅光出現。此事他與休斯實驗室許多人詢問過後得知,是根據裝置的輻射光譜來判斷激發輻射,而真正紅寶石的紅光則在一兩個月後才製造出來,後來將1960年5月16日作為雷射的發明日。

愛因斯坦的受激輻射理論提出後將近50年才有雷射的發明,這中間有一段曲折的發展過程。二戰期間有許多重要的電子科技發展如雷達的發明,而促成此項研究,但是在光學的範圍難度還是很高。首先光波波長很短(次微米級),與我們日常光學器件的尺度(公尺)相比,小了足足有一百萬倍。因此,若要精準地控制光有著先天上的困難。
 
1950年,湯恩斯(Charles Townes)在哥倫比亞大學開始時是從事微波光譜的研究,首先提出微波雷射的觀念。湯恩斯是利用氨分子作為媒介,並將其輻射出波長約1公分的微波放在一個共振腔內,此微波雷射稱為鎂射(maser),這些微波技術在第二次世界大戰時因為雷達的發展而有很好的認識,這是在1949年時蕭羅(Shawlow)加入湯恩斯的團隊後,才促成了此事。
 
直到1954年,由湯恩斯與另一位科學家Zeigler,及研究生苟德(Gordon Gould)合作才成功地製作出來鎂射,才顯現出成熟發展。另外,因為微波的波長是毫米級,所以裝置的製作相對簡單,才有微波雷射的成功運作,也促成湯恩斯開始思考光學雷射的研究。
 
1958年,湯恩斯與蕭羅(後成為他的妹婿)提出氖原子輻射機制。他們提出利用一組反射鏡製造光學共振腔,讓光線在裡面往返振盪作為放大器因此已認知到要使雷射成功地輻射出光子,只需將光波限制在同一方向上共振,而不需如鎂射的3D共振腔。此時,苟德(Gordon Gould)已預先看到商機,因此離開學校獨立創業繼續做雷射,並發明了雷射這個字(LASER;Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), 意為「受激輻射產生的光放大」,苟德後來花了29年去爭取這項專利。
 
其實,這領域的研究還有另一批人是具有貢獻的,例如馬利蘭大學的瑋柏(Webe,此人也是重力波探測的開路先鋒),1960年代俄國人也差不多同時發明了雷射,如 Basov,及Prokhorov等人。因此,Townes, Basov, Prokhorov三人獲得1964年諾貝爾物理獎。
 
紅寶石雷射的發現鼓舞了許多雷射的相關研究,重要的研究成果不斷地推陳出新,例如:
1960: 貝爾實驗室伊朗科學家湯恩斯與學生賈凡(Ali Javan)等人發明氦氖紅外光雷射(1.15mm), 這是氣體雷射的先驅。
1961: Elias Snitzer (American Optical Co)發明釹玻璃雷射(neodymium glass ; Nd:glass laser)。
1962: 幾個團隊( GE, IBM and MIT Lincoln Laboratory)發明砷化鎵(GaAs)雷射。 
1962: 貝爾實驗室製作釔鋁石榴石雷射(yttrium aluminum garnet laser ; YAG laser)。
1962: Holonyak製作二極體雷射。
1963: 發現鎖模式雷射為超短波雷射奠定基礎。
1964: 貝爾實驗室Joseph E. Geusic and Richard G. Smith發明 Nd:YAG雷射。
 
紅寶石雷射的應用
 

由於上述雷射的優點,紅寶石雷射出現後迅速地得到廣大的應用,例如將雷射光發射至月球,可準確地決定地球與月球的距離;1963年麻省理工學院 (MIT) Fiocco將其發射至大氣中,以探測大氣的組成,成為雷射雷達(Lidar)。另一方面,其短脈衝且高功率的特性,促使誕生了一個新的領域:非線性光學。1964年密西根大學Franken等人利用694.3 nm的雷射入射石英晶體發現二倍頻光(波長694.3/2=347.15 nm),爾後相關的二倍頻,三倍頻等相關應用都在幾年內迅速發展。1960-1970可以說是雷射相關科學的黃金時代,但麥曼雖然幾次被提名諾貝爾獎,但是始終未獲得。

湯恩斯曾於加州理工學院就讀博士學位,發明雷射後他繼續從事微波光譜在天文上的應用,如偵測星際分子與黑洞(此時他去加州大學)。他曾於1990初期來台灣訪問。在座談中曾提到成為科學家的三個條件:物理要學好、努力工作及 要有極開放的心胸(extremely open minded)。

文章來源網址:https://scitechvista.nat.gov.tw/c/sg8M.htm

 
 
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