红宝石激光器：探索光学奇迹

红宝石激光器的发明

执著坚持的科学成果

20世纪60年代，梅曼制成了世界上第一台红宝石激光器，他以闪光灯的光线照射进一根手指头大小的特殊红宝石晶体，创造出了相干脉冲激光光束，这一成果后来震惊了全世界。在全世界顶尖的实验室都争取第一个发明激光器的情况下，梅曼当时的雇主——洛杉矶休斯飞机公司获得了胜利。

激光器

红宝石激光器的工作物质是红宝石棒。在激光器的设想提出不久，红宝石就被首先用来制成了世界上第一台激光器。激光用红宝石晶体的基质是Al₂O₃，晶体内掺有约0.05%（重量比）的Gr₂O₃。Cr³⁺密度约为7.22克/立方米。Cr³⁺在晶体中取代Al³⁺位置而均匀分布在其中，光学上属于负单轴晶体。在Xe（氙）灯照射下，红宝石晶体中原来处于基态E₁的粒子，吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E₃能级。粒子在E₃能级的平均寿命很短。大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E₂。粒子在E₂能级的寿命很长，可达3×10^-3秒。所以在E₂能级上积累起大量粒子，形成E₂和E₁之间的粒子数反转，此时晶体对频率ν满足hν＝E₂-E₁（其中h为普朗克常数，E₂、E₁分别为激光上、下能级的能量）的光子有放大作用，即对该频率的光有增益。当增益G足够大，能满足阈值条件时，就在部分反射镜端有波长为6943×10^-10米的激光输出。红宝石激光器是一种输出波长为694.3纳米（红光）的脉冲器件。它具有输出能量大、峰值功率高、结构紧凑、使用方便等优点。目前已广泛应用于打孔划片、动态全息、信息存储等方面。固体红宝石激光器通常由工作物质、谐振腔、泵浦光源和聚光腔所组成。红宝石激光器以掺杂离子型绝缘晶体红宝石棒为工作物质。红宝石激光晶体是以刚玉（或称白宝石）单晶为基质，掺入金属铬离子（Cr³⁺）为激活粒子所组成的晶体激光材料。呈淡红色，其掺杂浓度一般为0.05%（重量）。工作物质要求有较好的光学质量。在红宝石晶体中，Cr³⁺的吸收带有两个，分别在410纳米和560纳米波长附近，吸收带宽度约为100纳米波长左右。红宝石激光器采用光激励，脉冲激光器中一般采用发光效率较高的脉冲氙灯。脉冲氙灯用石英管制成，两端用过渡玻璃封以钍钨电极，管内充以300～500Torr氙气。灯管由高压充电电源和高压触发器控制点燃。为了使光泵的光更集中地照射在激光棒上，常用的聚光腔有：圆柱面聚光腔、单椭圆柱面聚光腔、双椭圆柱面聚光腔。为提高对光线的反射率聚光腔常采用黄铜或不锈钢材料制成，内壁经抛光处理后镀银。红宝石激光器谐振腔多采用平行平面镜腔，全反射镜是反射率为99%以上的多层介质膜，输出镜透过率为50%以上。近年来，为了减小激光光斑尺寸，也有采用平凹腔结构的，全反射镜采用凹球面镜，其曲率半径约为腔长的3～4倍。在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。

一字线状激光器

汤斯(www.xing528.com)

梅曼在发表文章时并不顺利。他先把论文投到《物理评论快报》，但当时的编辑萨姆古德斯密特认为这只是又一篇“微波激射器”重复工作的文章，因此拒绝发表。后来梅曼终于将文章发表在《自然》杂志上。当然，经过多年的努力争取，梅曼的成就已经得到了广泛的承认。“梅曼设计”引起了科学界的震惊和怀疑，因为科学家们一直在注视和期待着的是氦氖激光器。尽管梅曼是第一个将激光引入实用领域的科学家，但在法庭上，关于到底是谁发明了这项技术的争论，曾一度引起很大争议。竞争者之一就是“激光”(“受激辐射式光频放大器”的缩略词)一词的发明者戈登·古尔德。他在1957年攻读哥伦比亚大学博士学位时提出了这个词。与此同时，微波激射器的发明者汤斯与肖洛也发展了有关激光的概念。经法庭最终判决，汤斯因研究书面工作早于古尔德9个月而成为胜者。不过梅曼的激光器的发明权却未受到动摇。

梅曼

梅曼的一生获得了无数的奖励。尽管1964年的诺贝尔物理学奖并没有授予发明了世界上第一台激光器的他，而是给了此前发明了微波激射器并提出激光器原理与设计方案的美国贝尔实验室物理学家汤斯和苏联物理学家巴索夫、普罗霍罗夫，但梅曼仍两次获得诺贝尔奖提名，并获得了物理学领域著名的日本奖和沃尔夫奖。他还于1984年被列入“美国发明家名人堂”。在《自然》杂志一百周年纪念的一本书中，汤斯将梅曼的论文称为该杂志100年来发表的所有精彩论文中“字字珠玑的最重要的一篇”。

我国第一台红宝石激光器

1961年9月，中国第一台红宝石激光器在中国科学院长春光学精密机械研究所诞生，时间仅比国外晚一年，在结构上别具一格。它的出现引起了国内学术界的震惊，从根本上改变了光电子学研究的面貌。当时国家正值困难时期，尽管我们不是世界上第一次尝试制造，但除了原理性的一两篇文章之外，当时只看到过一两条新闻性的报道。长春光机所几乎从零开始建立了应用光学的技术基础，当中也包括一些重要工艺基础。这台激光器第一次试运是在1961年7月，并在1961年9月出光，输出能量为36／脉冲。新中国第一台红宝石激光器的研制成功，为我国激光技术开辟了一个新领域，激光技术从此越来越多地应用于国防和工农业生产中。