原子分子光物理導(dǎo)論

1、激光可以說(shuō)是繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后又一重大發(fā)明，無(wú)論是對(duì)于物理理論發(fā)展， 還是對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)是無(wú)可代替的。原理：激光是指受激輻射而產(chǎn)生的，放大的光。受激輻射是外界輻射場(chǎng)的控制下的發(fā)光 過(guò)程，與自發(fā)輻射是有本質(zhì)區(qū)別的。它必須要有外來(lái)光子攜帶= hu = E1 -E2的能量， 且與受輻射光子處于同一光子態(tài)，并使外來(lái)光子得到放大du。歷史進(jìn)程：愛(ài)因斯坦在20世紀(jì)20年代左右，描述了原子的受激輻射，提出了一套全 新的技術(shù)理論光與物質(zhì)相互作用。這一理論是說(shuō)在組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)量的粒 子（電子）分布在不同的能級(jí)上，在高能級(jí)上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會(huì)從高能級(jí)跳到 （躍遷）到低能級(jí)

2、上，這時(shí)將會(huì)輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能 出現(xiàn)一個(gè)弱光激發(fā)出一個(gè)強(qiáng)光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡(jiǎn)稱激光。 時(shí)光 推移整整30年，1958年，美國(guó)科學(xué)家肖洛（Schawlow）和湯斯（Townes）發(fā)現(xiàn)了一種神奇 的現(xiàn)象：當(dāng)他們將氖光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時(shí)，晶體的分子會(huì)發(fā)出鮮艷的、 始終會(huì)聚在一起的強(qiáng)光。根據(jù)這一現(xiàn)象，他們提出了激光原理，即物質(zhì)在受到與其分子固 有振蕩頻率相同的能量激發(fā)時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生這種不發(fā)散的強(qiáng)光一激光。他們?yōu)榇税l(fā)表了重要論 文，并獲得1964年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2年之后，1960年5月15日，美國(guó)加利福尼亞州休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家梅曼

3、宣布獲得了波 長(zhǎng)為0.6943微米的激光，這是人類有史以來(lái)獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第 一個(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家。同年7月7日，梅曼宣布世界上第一臺(tái)激光器誕生，梅 曼的方案是，利用一個(gè)高強(qiáng)閃光燈管，來(lái)激發(fā)紅寶石。由于紅寶石其實(shí)在物理上只是一種摻 有鉻原子的剛玉，所以當(dāng)紅寶石受到刺激時(shí)，就會(huì)發(fā)出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的 紅寶石的表面鉆一個(gè)孔，使紅光可以從這個(gè)孔溢出，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱， 當(dāng)它射向某一點(diǎn)時(shí)，可使其達(dá)到比太陽(yáng)表面還高的溫度。除了上述的紅寶石激光器之外，前蘇聯(lián)科學(xué)家尼古拉巴索夫同樣在1960年發(fā)明了半 導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)通常由p層、

4、n層和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源層構(gòu)成。其特點(diǎn) 是：尺寸小、p合效率高、響應(yīng)速度快、波長(zhǎng)和尺寸與光纖尺寸適配、可直接調(diào)制、相干性 好。（2.0）至此，人類在激光方向搭建了一個(gè)嶄新的舞臺(tái)，激光不僅僅只是局限于理論上的研究分 析，它向普通大眾敞開了大門。從VCD、DVD光盤到激光照排，激光的使用大大提高了效率，以及方便人們保存和提取信息；激光的空間控制性和時(shí)間控制性很好，對(duì)加工對(duì)象的材質(zhì)、 形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動(dòng)化加工，激光加工系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù) 控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動(dòng)化加工設(shè)備，已成為企業(yè)實(shí)行適時(shí)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)、 高效和低成本的加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。（1.2）下面

5、，僅舉 3例運(yùn)用：激光通信， 是激光在大氣空間傳輸?shù)囊环N通信方式。激光大氣通信的發(fā)送設(shè)備主要 由激光器（光源）、光調(diào)制器、光學(xué)發(fā)射天線（透鏡）等組成；接收設(shè)備主要由光學(xué)接收天 線、光檢測(cè)器等組成。信息發(fā)送時(shí)，先轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由光調(diào)制器將其調(diào)制在激光器產(chǎn)生的激光束上，經(jīng)光 學(xué)天線發(fā)射出去。信息接收時(shí)，光學(xué)接收天線將接收到的光信號(hào)聚焦后，送至光檢測(cè)器恢復(fù) 成電信號(hào)，再還原為信息。大氣激光通信的容量大、保密性好，不受電磁干擾。但激光在大 氣中傳輸時(shí)受雨、霧、雪、霜等影響，衰耗要增大，故一般用于邊防、海島、跨越江河等近 距離通信，以及大氣層外的衛(wèi)星間通信和深空通信。早期的激光大氣通信所用光源多數(shù)為二

6、氧化碳激光器、氦一氖激光器等。二氧化碳激光 器輸出激光波長(zhǎng)為10.6微米，此波長(zhǎng)正好處在大氣信道傳輸?shù)牡蛽p耗窗口，是較為理想的通 信光源。從70年代末到80年代中期，由于在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上難以解決好全天候、高機(jī)動(dòng)性、高靈 活性、穩(wěn)定性等問(wèn)題，激光大氣通信的研究陷入低潮。1988年，巴西宣布研制成功一種便攜式半導(dǎo)體激光大氣通信系統(tǒng)。這種通過(guò)激光器聯(lián)通 線路的軍用紅外通信裝置，其外形如同一架雙筒望遠(yuǎn)鏡，在上面安裝了激光二極管和麥克風(fēng)。 使用時(shí)，一方將雙筒鏡對(duì)準(zhǔn)另一方即可實(shí)現(xiàn)通信，通信距離為1千米，如果將光學(xué)天線固定 下來(lái)，通信距離可達(dá)15千米。1989年，美國(guó)成功地研制出一種短距離、隱蔽式的大氣激光通

7、信系統(tǒng)。1990年，美國(guó)試驗(yàn)了適用于特種戰(zhàn)爭(zhēng)和低強(qiáng)度戰(zhàn)爭(zhēng)需要的紫外光波通信，這種通信 系統(tǒng)完全符合戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的要求，通信距離為25千米；如果對(duì)光束進(jìn)行適當(dāng)處理，通信距離 可達(dá)510千米。90年代初，俄羅斯研制成功了大功率半導(dǎo)體激光器，并開始了激光大氣通信系統(tǒng)技術(shù)的 實(shí)用化研究。不久便推出了 10千米以內(nèi)的半導(dǎo)體激光大氣通信系統(tǒng)并在莫斯科、瓦洛涅什、 圖拉等城市應(yīng)用。在瓦涅什河兩岸相距4千米的兩個(gè)電站之間，架設(shè)起了半導(dǎo)體激光大氣通 信系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時(shí)傳輸8路數(shù)字電話。在距離瓦洛涅什城約200千米以及在距莫斯科不遠(yuǎn) 的地方，也開通了半導(dǎo)體激光大氣通信系統(tǒng)線路。隨著半導(dǎo)體激光器的不斷成熟、光學(xué)天線制

8、作技術(shù)的不斷完善、信號(hào)壓縮編碼等技術(shù)的 合理使用，激光大氣通信正重新煥發(fā)出生機(jī)。(3.0)激光冷卻：這一技術(shù)早期的主要目的是為了精確測(cè)量各種原子參數(shù)，用于高分辨率 激光光譜和超高精度的量子頻標(biāo)(原子鐘)，后來(lái)成為實(shí)現(xiàn)原子玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn) 方法。雖然早在20世紀(jì)初人們就注意到光對(duì)原子有輻射壓力作用，只是在激光器發(fā)明之后， 才發(fā)展了利用光壓改變?cè)铀俣鹊募夹g(shù)。激光冷卻有許多應(yīng)用，如：原子光學(xué)、原子刻蝕、 原子鐘、光學(xué)晶格、光鑷子、玻色-愛(ài)因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光譜以及光和物質(zhì) 的相互作用的基礎(chǔ)研究等等。當(dāng)原子在頻率略低于原子躍遷能級(jí)差且相向傳播的一對(duì)激光束中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于多普勒效

9、 應(yīng)，原子傾向于吸收與原子運(yùn)動(dòng)方向相反的光子，而對(duì)與其相同方向行進(jìn)的光子吸收幾率較 小;吸收后的光子將各向同性地自發(fā)輻射。平均地看來(lái)，兩束激光的凈作用是產(chǎn)生一個(gè)與原 子運(yùn)動(dòng)方向相反的阻尼力，從而使原子的運(yùn)動(dòng)減緩(即冷卻下來(lái))。1985年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技 術(shù)研究院的菲利浦斯(willam D.Phillips)和斯坦福大學(xué)的朱棣文(Steven Chu)首先實(shí)現(xiàn)了 激光冷卻原子的實(shí)驗(yàn)，并得到了極低溫度(24 M K)的鈉原子氣體。他們進(jìn)一步用三維激光束 形成磁光阱將原子囚禁在一個(gè)空間的小區(qū)域中加以冷卻，獲得了更低溫度的光學(xué)粘膠。之 后，許多激光冷卻的新方法不斷涌現(xiàn)，其中較著名的有速度選擇相干布居

10、囚禁和拉曼冷 卻，前者由法國(guó)巴黎高等師范學(xué)院的柯亨達(dá)諾基(Claud Cohen-Tannodji)提出，后者由朱 棣文提出，他們利用這種技術(shù)分別獲得了低于光子反沖極限的極低溫度。此后，人們還發(fā)展 了磁場(chǎng)和激光相結(jié)合的一系列冷卻技術(shù)，其中包括偏振梯度冷卻、磁感應(yīng)冷卻等等。朱棣文、 柯亨-達(dá)諾基和菲利浦斯三人也因此而獲得了 1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)疽4.0)激光核聚變：目前實(shí)現(xiàn)核聚變已有不少方法。最早的著名方法是”托卡馬克”型磁場(chǎng)約 束法。它是利用通過(guò)強(qiáng)大電流所產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng)，把等離子體約束在很小范圍內(nèi)以實(shí)現(xiàn)上述 三個(gè)條件。雖然在實(shí)驗(yàn)室條件下已接近于成功，但要達(dá)到工業(yè)應(yīng)用還差得遠(yuǎn)。按照目前技術(shù)

11、水平，要建立托卡馬克型核聚變裝置，需要幾千億美元。另一種實(shí)現(xiàn)核聚變的方法是慣性約束法。慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氤的混合氣 體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量 而向外蒸發(fā)，受它的反作用，球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓（反作用力是一種慣性力，靠它使氣體約束， 所以稱為慣性約束），就像噴氣飛機(jī)氣體往后噴而推動(dòng)飛機(jī)前飛一樣，小球內(nèi)氣體受擠壓而 壓力升高，并伴隨著溫度的急劇升高。當(dāng)溫度達(dá)到所需要的點(diǎn)火溫度（大概需要幾十億度） 時(shí)，小球內(nèi)氣體便發(fā)生爆炸，并產(chǎn)生大量熱能。這種爆炸過(guò)程時(shí)間很短，只有幾個(gè)皮秒（1 皮等于1萬(wàn)億分之一）。如每秒鐘發(fā)生三四次這樣的爆炸并且連續(xù)不

12、斷地進(jìn)行下去，所釋放 出的能量就相當(dāng)于百萬(wàn)千瓦級(jí)的發(fā)電站。原理上雖然就這么簡(jiǎn)單，但是現(xiàn)有的激光束或粒子束所能達(dá)到的功率，離需要的還差幾 十倍、甚至幾百倍，加上其他種種技術(shù)上的問(wèn)題，使慣性約束核聚變?nèi)允强赏豢杉暗?。盡管實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩內(nèi)杂新L(zhǎng)艱難的路程需要我們征服，但其美好前景的巨大誘惑 力，正吸引著各國(guó)科學(xué)家在奮力攀登?；诩す庠诂F(xiàn)代的廣泛運(yùn)用，冒昧的做出以下展望：激光可以控制核聚變反應(yīng)，可以冷卻原子，是不是可以通過(guò)這種方式儲(chǔ)存能量，或者 說(shuō)可以提高能源的利用率，即精確的控制化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，從而使其能量利用率最大化。激光通訊有沒(méi)有可能代替光纖作為信息傳導(dǎo)的媒介，進(jìn)而可不可以實(shí)現(xiàn)用光訊號(hào)代替 電訊號(hào)，甚至于電路變成光路。我們知道物質(zhì)是能量集中的產(chǎn)物，有沒(méi)有可能在激