激光,是五、六十年代发展起来的一门尖端科学;激光器,是一种新颖光源,它的问世是近代光学和电子学发展的必然结果。
        爱因斯坦在1917年就认为,电子从高能级向低能级跃迁释放光子的方式,除自发辐射外还有受激辐射,爱因斯坦这一理论为后来激光器的产生提供了理论依据。第二次世界大战结束前后,为产生波长短微波的相干电磁波振荡器,建立了微波波谱学这一学科领域。通过在这一领域的研究,人们懂得了当电磁波通过实现了粒子数反转的介质后,就可利用受激辐射现象使这束电磁波放大。
        遵循这一放大原理,1953年12月美国物理学家查理斯·哈德·汤斯(1915—)与他的助手一道,研制了第一台微波激射放大(和振荡)实验装置,不久之后,汤斯和肖洛提出可在光频段实现类似机制,这就是激光,为激光器的问世准备了条件。汤斯于1939年在美国贝尔电话实验室作技术工作,1948年任哥伦比亚大学教授。3年后他产生微波激射的想法。因对量子电子学的研究和发明微波激射器,汤斯与苏联物理学家普罗霍罗夫和巴索夫共获1964年诺贝尔物理学奖金。
        1960年7月,美国物理学家瑟多尔·哈德·梅曼(1927—)成功地研制出第一台红宝石激光器,输出波长为6943埃。梅曼1955年获斯坦福大学哲学博士后,在迈阿密的休斯实验室任职,对汤斯发展的微波激射器的设计作了很大改进,从而提高了固态微波激射器的实用性。自1960年研制第一台激光器两年后,他创立了从事激光器的研究、发展和制造的公司。
        激光有两个特点:其一是光能高度集中,具有高亮度。光在发光面上集中,使侧面发出的光集中到一个端面上去,这样,单位面积发出的光能增强几十倍以上;光在方向上集中,光是四面八方发射的,如果把180°范围内发的光集中到0.18°内发射,光亮度会增加近百万倍,这种光的集中,也叫方向性好;光在时间上集中,激光器可以积蓄光能量,到一定程度突然爆发出来,可使光功率增加百万倍。在现有各类光源中,激光器的亮度最高。其二是激光的颜色纯,即单色性好。在激光前,最好的一种单色光源是氪灯,然而,激光的单色性比氪灯还要好上万倍,而且,光的强度比原有的单色光源强许多倍。
        激光器的种类有如下几种:光抽运固体激光器、液体激光器、染料激光器、气体激光器、气体激光器、化学激光器和半导体激光器,都是在不同的物质中,设法造成原子高低能态分布的反转,而受激放大。
        激光有连续的,有脉冲的;固体激光效率不高,脉冲激光功率达千瓦;液体激光不易因受热炸毁;染料激光易发生连续波,在宽频带内频率可调;气体激光可由气体放电激励;气动力激光,输出功率较高,可达数万瓦;化学激光由化学反应产生原子态分布反转;半导体激光较微型、廉价,由电流通过双极结激励,电光转换效率较高;使用Q开关,可产生强大激光短脉冲,用特殊晶体的非线性效应,可制出谐频激光;利用光栅和锁模技术,可使激光在一选定频率运转。
        激光问世以后,因为有超高度的单色性、方向性、相干性和高功率,所以应用极广。
        激光加工。由于激光具有能量高度集中这个特点,激光已广泛应用于微波打孔、切割和焊接等工业加工方面。激光打孔较之机械打孔有许多优越性:不怕硬,孔又小又好,可以打多种形状的孔、效率高,操作方便。激光焊接用于微电子器件、电真空器件、精密仪表等生产上。它的特点是焊接能力强,速度快,省料,还可以隔着玻璃焊。激光切割不但能用于微电子工业,而且能大规模地切割各种金属、陶瓷材料、木材和纸张等。
        激光在精密计量上的应用。由于激光的单色性极好,因此它在精密计量方面有着广阔的应用前景,利用激光不仅可以精密测量长度、平面平度,而且可以精密测量速度和角速度。
        激光准直。高亮度且单色的激光给光学准直仪提供了极好的光源。目前利用氦一氖激光器,可以获得一公里不差几个毫米的直线基准。
        激光测距和激光雷达。高亮度的激光为光学测距仪开辟了光明的应用前景。在没有合作目标的情况下,地面工作的测距仪,其工作距离为10公里以上,测量误差不超过10米。在装有合作目标的条件下,利用激光可测量地球和月球之间的距离,误差不超过几米。而原来的光学测距仪是望尘莫及的。激光雷达与无线电雷达相比,激光雷达的分辨率很高,抗干扰性能好。但由于其光束很细,因此只适宜于精密跟踪,用于搜索比较困难,无线电雷达可以和激光雷达相互补充,可达到搜索与跟踪并重的作用。
        激光通讯。由于激光通讯的保密性好,因此可以用作相距几公里的两海岛之间、海岛和海岸之间、两军舰之间、两山头之间的保密通讯。
        在太空中,由于没有大气的衰减,因此用激光作为通讯工具比较理想。目前,人造卫星、宇宙飞船已成为科学的现实,用激光作为宇宙通讯的前途就更大了。
        大屏幕激光彩色电视和全息立体电影。为了供给彩色激光电视机以电视信号,在电视摄象机中,用色散系统把光分成与3种激光波长相同的颜色,分别调制在载波上。电视接收器把3种信号分开,对应地调制3束激光。再经过合光系统合成一束光,送入垂直和水平偏转器,最后到屏幕上显象。全息照相是伴随着激光发展起来的一门新技术。全息照相技术不仅在立体电影方面有用,更主要的在科学研究和其他方面都很有用。
        激光在医学上的应用。利用激光显微技术、激光全息技术、超短脉冲激光技术,可以更好地了解各种生化过程和生命过程,有利于病情诊断。激光理疗、激光针麻和激光手术等,解除了千百万病患者的疾苦。激光已成为外科大夫的新型手术刀,已能治疗100多种病。激光治疗心血管疾病取得重大发展。激光已能用于心脏外科手术和心血管成形手术。激光在医疗卫生领域的应用和发展,必将造福于人类。