登陆注册
5526800000002

第2章 激光之谜

本世纪50年代,无线电电子学飞速发展,为了探求产生更短的相干电磁波,1954年美国哥伦比亚大学的汤斯首次制成了氨分子微波激射器,由此打开了通向激光的道路。1960年世界第一台以红宝石为受激物体的激光器由美国物理学家梅曼研制成功。激光器的问世轰动了全美国,出现了光学物理的“文艺复兴”时代。激光的出现与发展,说要是靠从事电磁波谱学研究的学者们努力的结果,是相干电磁频谱向高频段发展的必然。它不仅是光学领域的伟大成就,更是电子学领域的伟大成就,激光为电子学的发展开创了一个崭新的局面。传统电子学的原理,借助光电、电光转换,用途遍及整个电子工程领域。

尽管目前激光技术还处于幼年时代,却已经为人类带来了几千种之多的各种激光发生器,有固体、气体、半导体、有机染料、化学、准分子、自由电子、巨脉冲等各种类型。目前激光器的波长从100埃至05毫米,最大连续功率达10万瓦,最大脉冲功率达10亿千瓦。

什么样的光是激光?简单地说,激光也是一种光。它与普通光,如太阳光、灯光一样也是一种电磁波。但是激光产生的方法与普通光不同,它是物质“受激”而产生的光。

1917年,爱因斯坦在统计平衡观点研究“黑体”辐射时,得到一条结论:“自然界有两种不同的发光方式。一种叫自发辐射,另一种中受激辐射”。各种各样的人造光源,例如电灯、日光灯等都属于自发辐射光。各种自然现象所发射出来的光,也都属于自发辐射。这些光都有一些共同之处,比如光线向四面八方射出,其中包含着各种各样的颜色。

激光是原子受激发射而辐射的一种光。激光是一种新型的光源,它和普通光源的区别在于发光的微观机制不同。普通光源的发光是以自发辐射为主,各个发光中心发出的光波无论方向、位相或者偏振态都各不相同。激光的发光则是以受激辐射为主,各个发光中心发出的光波都具有相同的频率、方向、偏振态和严格的位相关系。由于这些差别,激光具有强度高,单色性好、相干性好和方向性好等几个特点。

激光的亮度是高压氙灯亮度的37亿倍。激光领域是光频电子的范畴。激光器的出现,提供了光频波段的电磁振荡源。今天无线电子学概念、理论和技术原则上都可以延伸到光频波段。电子学进入了一个新的天地。电子学和光学之间鸿沟已经不复存在。光学本来是一门古老的物理学,而今由于激光的发现和应用,崛起了前途无量的光电子学。

激光在过去书中按英文译音为“莱塞”,意思是“光受激发射器”,1964年以后统称为“激光”。在一些介绍激光的书刊中还常提及一个技术名词叫做“简并度”,这是区别激光与普通光的一个技术指标。激光的简并度高达1017,而一般普通光线的简并度仅为千分之一。从电子技术角度看简并度低的光只是一片噪音,从光学角度看高简并度的光是具有高亮度的单色光。

激光从物理学上去看是电磁场,是整个电磁辐射的一个组成部分。爱因斯坦基于对电磁现象的研究,提出任何物体相互作用的传播速度都不能超过真空中的光速,每秒30万公里。

激光既然是“有质量”的电磁波,因此它与普通电磁波一样能够成为“载波”用以传播信息。但是激光在空中传播会受到许多因素的干扰,如它遇到云层、雾粒会造成严重信号衰落,遇到空气中的气流,会产生抖动、扩散等情况。因此如何避免干扰,保证传送质量是激光应用的一大关键。

1870年,美国物理学家丁达尔,在一次做流体实验时发现了一个有趣的现象,并从中受到了启发。他在一个盛满水的桶侧钻了一个小孔,水照例从小孔中喷射出来,这一现象原本不足为奇,但细心的丁达尔发现,水桶上方的灯光也随着小孔流出的水柱落在地面,竟然会出现一个光点。光应该是沿直线传播的,为什么会沿水柱的弧线传过来呢?经分析,这是因为水的光折射率比空气的光折射率大,光射到水和空气界面的时候,发生了全反射的原故。根据光的全反射原理,人们终于找到了理想的激光传输媒质——光导纤维。

1966年,有人曾预言“如果把玻璃中的铁离子控制在百万分之一以下,玻璃对光的损失可望达到一千米20dB”。这句话后半句的意思是,光可以每前进一千米,功率只下降百分之一。1970年美国克林玻璃公司发现了这一预言,他们完成了光导纤维技术上的重大突破,取得了光前进一米,功率损失降到一百亿分之一的光辉成就。

光纤维有完全不受电磁场干扰的特性,比如打雷的时候,不会出现干扰。石英做成的光纤维具有极高的绝缘性能,根本不用担心被雷电击穿。这对要求绝对可靠的全天候精密电子控制是非常有意义的。

制造光导纤维的材料石英,是从石英砂矿中提炼而来,这种资源对于由二氧化硅成份组成的地球来说,真可谓唾手可得、而且是取之不尽,用之不竭。

1904年,英国科学家瑞利在研究稀有气体氩的时候,看到一片神秘而迷人的深蓝色光,这一发现被瑞利称为瑞利散射。研究表明光凭借着比波长还微小的粒子散射于四面八方。瑞利散射与光波长有关,波长越短散射就越强大,当波长减少到一半时,瑞利散射的强度便会增强至16倍,而波长越长的光,瑞利散射强度则越弱。瑞利散射现象对于光的传播有十分重要的意义。

1961年4月12日,首次完成人类太空飞行壮举的前苏联太空飞行员加加林,当他从人造卫星“伏司托克”号的窗口探望地球时,看到的是一片深蓝色无比瑰丽的图景,他为之激动不已。解释这一现象的即是瑞利的散射现象,地球之所以呈现如此迷人的青蓝色,是地球外围大气中的氧与氩使太阳光中波长短的蓝紫光发现强烈散射的缘故。

人们都知道玻璃、水晶具有非常好的透光性,其实不然,在一般情况下,玻璃的主要成份是二氧化硅(SiO2)。我们常见的平板玻璃,玻璃瓶罐是含有氧化钠、氧化钙的钠玻璃,而透明度高的水晶玻璃仍掺杂有氧化铅物质,只有高纯度的石英才是理想的光学材料。但无论多么高纯的石英玻璃,在制造过程中仍然含有微量的金属和水。这些杂质会对光线有吸收,也就是说即使用这些高级的光学材料也会产生瑞利散射而对光的能量造成一定量的损失。

我们在商场很容易看到一种工艺品,是用一种透明的细丝材料做成的花束,这种花束的根部装有灯泡,在细丝纤维的尖端会发出金光,然而纤维的侧面一点光也没有泄漏。这个原理同样用于医疗上,可用以对胃肠等器官的疾病观察的胃镜等。

这种应用于传导光线的特殊纤维就是光导纤维,光纤维很细,其直径仅为3~10微米,越细越柔软。光在光纤维内的传播是以全反射的形式进行的,光纤维内传播的光波有别于自由空间的波,打个比方,光在光纤维中如蛇行一般。光在光纤维内传播的速度随光的波长而不同,当光的波长越大,频率越低时光就越难以通畅。因此在光电子学中也把光纤维看作一种阻止高频率光波通过的滤波器。

光纤维怎样才能把光传得远,又同时保证传送应有频带这是光纤维技术研究的主题。

光纤最早应用于微波无线和信号中心之间的相互连结。在本世纪70年代后期,卫星地面站就采用了光纤电缆替代同轴电缆。然而作为远程的光纤互连应用则于武器装备和军事通信中首开先河。

在军事通信系统中天线向外发射电波,这是最容易被敌方察觉的,一旦发觉随之而来的便是惨遭摧毁。为了有效地保护信号中心各种计算机等昂贵的高级通信设施,目前所采取的有效对策是将天线与信号中心分离开相距1~3公里,以保障信号中心的安全。按传统的办法采用同轴电缆完成远程互连有许多问题很难解决,且不说要耗费大量同轴电缆与同轴电线配套的放大器,还会导致信号噪声,给可靠性带来不良因素。在运输上由于同轴电线重量较重也很不便,特别是同轴电缆易遭雷电破坏。用光纤代替同轴电缆,可以直接在较高的频率范围内工作,同时损耗极低,因此完全不需要线路放大器,从而解决了传输噪声,提高了可靠性。光纤具有的高绝缘特性使天线不怕雷电袭击。

在军用通信中,首先应用光纤网路远程装置,是在1980年由美国空军建立的AN/GRC206无线电系统。此后许多雷达系统也采用了远程光纤的互连。如新型对空“小猪犬”导弹系统就是采用光纤来互连的。

激光的每一个特点都可以引带出一些应用,正是这些应用才使激光被列为新技术革命的主要特征之一。激光技术是当今一项极富有魅力的新技术。

同类推荐
  • 回眸技术进步的辉煌(科普知识大博览)

    回眸技术进步的辉煌(科普知识大博览)

    要想成为一个有科学头脑的现代人,就要对你在这个世界上所见到的事物都问个“为什么”!科学的发展往往就始于那么一点点小小的好奇心。本丛书带你进行一次穿越时空的旅行,通过这次旅行,你将了解这些伟大的发明、发现的诞生过程,以及这些辉煌成果背后科学家刻苦钻研的惊心时刻。
  • 给人类的恩赐

    给人类的恩赐

    人类利用大自然所赐予的资源,从起初制造简单的工具到成为地球的主角,从对大自然的膜拜到对大自然的征服,经历了一个漫长的过程;近现代以来,随着人类文明的跨越式进步,人类逐渐不满足于大自然所赐予的资源,随之而来的是人类无尽的索取和破坏。核战争已不再是威胁世界的第一危机,取而代之的是环境危机。发展新能源,将垃圾变废为宝,人类希望通过科技的力量,促进人类与自然环境的和谐发展。
  • 女人的资本:时尚生活篇

    女人的资本:时尚生活篇

    本书从心态的角度阐述了女性应当如何把握自己,并塑造自我,获得成功的方法。
  • 大劫难(300年来世界重大自然灾害纪实)

    大劫难(300年来世界重大自然灾害纪实)

    人类社会发展的历史是一部人类与自然协调、适应和斗争的历史。大自然一方面哺育人类的成长,另一方面也往往给人类造成巨大的不幸与灾难。人类活动在为自己创造财富的同时,也留下了相应的自然后果,而这样一种双向互动的动态关系包含着非常丰富、复杂的内容。可以说,近三百年以来这种互动进入了一个崭新的阶段,而最能够集中体现这种互动的关联程度和复杂性的领域便是本书所要展示、讨论的自然灾害问题。
  • 解读自身的人体科学(科普知识大博览)

    解读自身的人体科学(科普知识大博览)

    人体科学是研究人体的功能,如何保护人体的功能,并进一步发展人体潜在功能,发挥人的潜力,提出用“人体功能态”理论来描述人体这一开放的复杂巨系统,研究系统的结构、功能和行为。认为气功、特异功能是一种功能态,把气功、特异功能、中医系统理论的研究置于先进的科学框架之内,对气功、特异功能的研究起了重大作用。
热门推荐
  • 时光到此为止

    时光到此为止

    有些故事就像空气中棉花糖的甜味儿,风一吹就散了,却一生铭记。当我们一起在那个夏天里笑着,并肩站着,你扶着我的肩膀,我们谈论着梦想、飞翔;当我们一起在那个夏天里奔跑,伸展双臂,你说别畏惧艰险,却怎么也无法预知,时光就这样静止成一张底片。你的言语以及笑容,分明还支撑着我的道路,而时光,却再也回不去了……
  • 上古世纪之基里奥斯

    上古世纪之基里奥斯

    基里奥斯是天生的战士,对他而言世上只有敌人和同伴。他将胜利献给自己信任的人,把失败的悲痛留给敌人,任其走向破灭。想要成为战士的人们相信基里奥斯。永不屈服的坚毅,永不失败的战斗力是属于基里奥斯的神之权能。有胜利就会有失败。对于失败者来说,他亦是破坏一切,毫无恻隐之心的神。相信基里奥斯的人们对冷血的基里奥斯感到十分害怕,而害怕是服从与信任的基础。
  • 时间的结局

    时间的结局

    一本日记,一块手表,几倍彩香,让我去挽回些什么?
  • 纯爱纯恋:恋上美男师长

    纯爱纯恋:恋上美男师长

    18岁相识的情分不仅仅是一见钟情,更是天长地久。恋上他是她这辈子最幸福的事。
  • 相思谋:妃常难娶

    相思谋:妃常难娶

    某日某王府张灯结彩,婚礼进行时,突然不知从哪冒出来一个小孩,对着新郎道:“爹爹,今天您的大婚之喜,娘亲让我来还一样东西。”说完提着手中的玉佩在新郎面前晃悠。此话一出,一府宾客哗然,然当大家看清这小孩与新郎如一个模子刻出来的面容时,顿时石化。此时某屋顶,一个绝色女子不耐烦的声音响起:“儿子,事情办完了我们走,别在那磨矶,耽误时间。”新郎一看屋顶上的女子,当下怒火攻心,扔下新娘就往女子所在的方向扑去,吼道:“女人,你给本王站住。”一场爱与被爱的追逐正式开始、、、、、、、
  • 借天记

    借天记

    振臂一呼,群花护拥向天借力,展无穷威能修真路途举步维艰,看主角一路化险为夷登上顶峰
  • 绵花糖上的丁希

    绵花糖上的丁希

    文中的两个人,从何认识,从何说起,你若安好便是晴天!
  • 乙卯入国奏请

    乙卯入国奏请

    本书为公版书,为不受著作权法限制的作家、艺术家及其它人士发布的作品,供广大读者阅读交流。
  • 炼魂轮回

    炼魂轮回

    龙国古老没落的魂修家族,一位天才少年得到祖先传承,炼魂器,开秘境,让家族重回顶峰。闯仙界,定神国,开启新时代。
  • 青梅被拐跑,竹马请靠边

    青梅被拐跑,竹马请靠边

    大学,贴心系草的表白‘抚慰’了苏紫瑶曾经单恋男神无果而受伤的小心灵。两个人甜蜜幸福,工作后,两个人也进了同一家公司,,,可是可是,,,,,当初苏紫瑶单恋的男神竟然也在那家公司。男神告诉她,当初他也喜欢她,只是当时他有自己的想法,,,苏紫瑶自然无比震惊~~~~~~~看系草与男神的PK大战~~~~~~~~~~~~~