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一个世纪前,爱因斯坦激发了激光的概念

31 Aug 2017
激光束照亮雾
另一个好主意:激光束照亮雾气。 (CC BY 2.0 / Jeff Keyzer)

菲利普·鲍尔(Philip Ball) 

我刚刚从手腕受伤的X射线中恢复过来(很好,谢谢),并注意到使用激光束来定位和对齐X射线源。的确,这些光学设备并不是最复杂的用途,但有一点提醒我们,在普通城市居民的生活中,几乎没有一天不会碰到激光的相干光子束。从超市条形码扫描到宽带光纤电信,激光无处不在。

阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)于一百年前发表了这一现代生活支柱背后的基本思想。但是眨眼,您会在他的德语著作《辐射的量子理论》中发表的开创性论文中错过它。 时代精神 18 121(这里的英文翻译)。爱因斯坦正在尝试弄清马克斯·普朗克的“量子假设”,即振荡器的能量必须取等于振荡频率乘以常数的整数倍的离散值。 h –暗示光与物质相互作用的方式。

爱因斯坦本人于1905年提出将普朗克公式视为物理事实,而不仅仅是避免经典能量连续体复杂化的数学技巧,震惊了许多物理学家(包括普朗克)。爱因斯坦还说,能量的量化不仅适用于“oscillators”(本质上是振动原子)“black-body”来自温暖物体的辐射;它也适用于光本身的电磁振荡,将射线切成离散的能量包,称为光子。

那是“量子革命”的开始,它以原子和分子的规模推翻了经典物理学。我们现在知道,古典定律不是量子定律的替代品,它每天都在使用,而是它们的结果。但是在1917年,量化的含义和含义仍然不清楚。进行量子力学没有形式主义的存在-埃尔温·薛定er直到七年后才写下他的标志性方程式-因此,为了解决物质-光相互作用的问题,爱因斯坦必须解决 特别指定 方法。

They were clear enough. Planck’s 震荡器 can emit a photon of the allowed frequency spontaneously and at random with a certain rate, in much the same way as a radioactive atom decays. And the oscillator can also absorb a photon from the ambient radiation field with a different rate. Einstein wrote the simple differential equations for these processes. But he realized that photon emission can also be 刺激的 通过那个辐射场。他继续研究了自发吸收和发射,受激发射过程之间的平衡状态,并得出了普朗克的辐射定律。

暗示是,如果一个原子将大量原子排列成相同的激发态,则正确能量的杂散光子会激发一个原子发射另一个光子,从而激发另一个原子……并且所有原子都会释放出多余的能量。突然的级联。而且,受激发射释放的光子与受激光会同相-相干,因此级联中产生的所有光都是相干的。

1955年,美国物理学家 查尔斯·汤斯 纽约哥伦比亚大学分子光谱学专家,他的同事展示了如何使用受激发射来制造 产生或放大微波的装置,他们称之为maser(微波放大辐射)。三年后,汤斯和 亚瑟·舒洛(Arthur Schawlow) 解释了如何将该想法扩展到可见光和红外频率以使“光学激光器”–实际上是激光。

他们建议使用普通(非相干)光将原子泵浦到激发态,从而建立原子能。“population inversion”其中原子被激发以通过发射光子返回其基态。他们的设计使用了一个光腔-基本上是两个反射镜,光子将在两个反射镜之间反射-捕获发射的光子,同时激发更多的发射。他们解释说,该设备将产生“极度单色[单波长]和相干光”。 西奥多·迈曼 加州马里布的休斯研究实验室 描述了这样的设备于1960年使用红宝石晶体(已经用于激光激射器)作为激光发射介质。

神话认为,激光最初是作为“寻找问题的解决方案”而放弃的。但是它的潜力毋庸置疑,特别是当1962年在通用电气实验室生产出第一台紧凑型半导体激光器时,使这些设备更易于与电子设备集成。一样,他们掌握了一些技巧。 1969年,阿波罗(Apollo)宇航员将激光从月球上的反射器反射回来。肖洛甚至用明胶做成了可食用的激光开玩笑。最近他们去过 真丝制成提供廉价,灵活的可生物降解光电技术的前景,并有可能将激光带入新的领域。

那里’没有证据表明爱因斯坦在1917年有过任何关于他的作品对制造一束相干光的影响的暗示,更不用说它可能具有的各种用途。但是,这再次显示了基础科学中的实践成果是多么富有成效。

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