從此有了光 – 激光發明61周年

2021年10月11日16:23:05 科學 1106

1959年10月,一個不為人所知的32歲的物理學家西奧多·泰德·邁曼(Theodore 「Ted」 Maiman)用粉紅色的紅寶石晶體製造出被稱為「光學激射器」的物體 (Opticalmaser,Microwave Amplification by Stimulated Emission ofRadiation)。


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Theodore H. Maiman 西奧多·H·邁曼

開始該項目並不是最順利,一位更為傑出的科學家Art Schawlow宣布不可能實現激光效果。1960年5月16日,邁曼證明他錯了。他和助手Irnee d'Haenens觀察到,一旦閃光燈上的閃光燈電壓超過一定水平,紅寶石的熒光壽命就會大大降低(從設備的光譜輸出中看出)。這種變化預示着受激發射的開始,其中來自閃光燈的入射光子使紅寶石中的激發電子下降到較低的能級,並在此過程中以與入射波相同的能量發射光子。隨之而來的是激光(LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)- 通過受激輻射的發射而放大的光-誕生了。


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LASER原理

之後,太多科學家與Maiman並駕齊驅(包括Schawlow),為激光技術做出自己的開創性貢獻。不久之後,這種所謂的新穎的技術很快就成為外科手術、工業加工中必不可少的工具。到1964年,激光的地位在公眾眼中已經非常高了(詹姆斯·邦德電影《金手指》中,反派揚言使用激光將邦德切開)。


自從發明以來,隨着新的設計和新的波長,打開了越來越廣泛的應用領域,激光器技術已經越來越強大,在我們身邊隨處可見。


(一)理論源頭


如果不了解光是電磁輻射的一種形式,也不可能開發出激光。馬克斯·普朗克(Max Planck)因發現基本能量量子而於1918年獲得諾貝爾物理學獎普朗克從事熱力學研究,試圖解釋為什麼「黑體」輻射(吸收所有波長的光)在加熱時沒有平等地輻射所有頻率的光。


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馬克思 普朗克

普朗克在1900年出版的最重要的著作中,推論了能量與輻射頻率之間的關係,能量只能在離散的「塊」(chunk)中被發射或吸收,他稱之為量子quanta,即使這些塊很小。他的理論激發了諸如愛因斯坦Albert Einstein)這樣的新興物理學家。1905年,愛因斯坦發表了有關光電效應的論文,該論文提出光也以塊狀傳遞能量,在這種情況下,離散的粒子現在稱為光子(photons


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愛因斯坦

1917年,愛因斯坦提出了受激發射,使激光成為可能。除了自發吸收和發射光以外,還可以激發電子以發射特定波長的光。但是,為了證明愛因斯坦的正確,並使激光成為當今無處不在的工具,科學家又經歷了40年時間的研究。


(二)激光的應用


在過去的十年中,激光的功率越來越大,價格越來越便宜。激光技術的擴展方式是(1)多個波長範圍,(2)各類型材料選擇,並且已進入日常生活了。2018年底,激光市場超過129億美元(Markets and Markets 2018年12月)。

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裝有激光雷達和其他導航傳感器的自動駕駛汽車(由Waymo提供)。

這夢幻般的光線已經成為許多行業必不可少的工具。Gartner分析公司的數據顯示,光刻技術在半導體製造中起着核心作用,2018年的收入總額為4,770億美元。基於激光雷達系統的安全自動駕駛汽車,今天的市場可能並不大,但聯合市場研究公司(AMR)的預測說,到2026年,該市場的規模可能達到5500億美元。AMR稱2023年,醫療激光市場(固態激光器、氣體激光器和半導體激光器)將在120到130億美元之間,主要用於流行醫學應用包括心血管,皮膚病學和與眼睛有關的治療。網絡巨頭思科公司預測,到2022年,光聯網、數據中心和長距離傳輸使用的光纖市場每年依然有平均26%的增長量。

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半導體光刻是製造過程中的核心步驟,如載物台上半導體晶片的EUV光刻的曝光和印刷效果圖所示(ASML提供)。


(三)激光發展的歷史


1960年5月16日:加利福尼亞州馬裡布休斯研究實驗室的物理學家西奧多·H·邁曼(Theodore H. Maiman)用直徑1厘米,長度2厘米的合成紅寶石圓柱體製造了第一台激光器。圓柱體兩端鍍銀,具有反射性,用作Fabry-Perot諧振器。Maiman使用照相閃光燈作為激光的泵浦光源。


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Theodore H. Maiman西奧多·H·邁曼(HRLLaboratories LLC)

1960年12月:貝爾實驗室(Bell Labs)的Ali Javan,William Bennett Jr.和Donald Herriott開發了氦氖(HeNe)激光器,這是第一個產生1.15μm連續光束的激光器。


1962年6月:貝爾實驗室報告了第一台釔鋁石榴石(YAG)晶體激光器


1963年:美國加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校的赫伯特·克魯默(Herbert Kroemer)和俄羅斯聖彼得堡艾菲夫物理技術研究所的魯道夫·卡扎里諾夫(Rudolf Kazarinov)分別提出了製造半導體激光器的想法。這項工作贏得了2000年諾貝爾物理學獎。


1964年:二氧化碳激光由貝爾實驗室的Kumar Patel發明。是當時功能最強大的連續操作激光器,如今已還在全球範圍內用作手術和工業中的切割工具。


1964年:Nd:YAG(摻釹YAG)激光由貝爾實驗室的約瑟夫E.蓋西奇(Joseph E. Geusic)發明。後來,是美容應用的理想選擇,例如激光輔助原位角膜磨鑲術(lasik)視力矯正和皮膚修復。


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高錕

1966年:高錕(Charles K. Kao)與英國標準電信實驗室George Hockham合作,實現低衰耗光纖技術的突破。他確定使用高純玻璃纖維可以實現100 km距離內的傳輸光信號。高錕的工作獲得了2009年諾貝爾物理學獎。


1977年:光纖通訊第一個商業安裝案例:貝爾實驗室在芝加哥實現地下光纖通信系統。


1978年:LaserDisc進入家庭視頻市場,最早的播放器使用HeNe激光管讀取媒體,而後來的播放器使用IR激光二極管。


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鐳射光盤

1981年:Schawlow和Bloembergen因其對激光光譜學發展的貢獻而獲得諾貝爾物理學獎。


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朱棣文

1985年:貝爾實驗室的朱棣文(美國能源部長,2009-13年)使用激光來減慢和操縱原子。他們的激光冷卻技術用於原子行為的研究。朱棣文,Claude N.Cohen-Tannoudji和William D.Phillips的這項工作在1997年獲得了諾貝爾獎。


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David Payne

1987年:英國南安普敦大學的David Payne開發出摻稀土光纖放大器。這種光放大器無需先將光信號轉換為電信號然後再轉換為光,降低了長距離光纖系統的成本。


2009年9月英特爾宣布其LightPeak光纖技術,激光器進入家用PC。Light Peak包含垂直腔表面發射激光器(VCSEL),每秒可以發送和接收100億位數據(這意味着它可以在17分鐘內傳輸整個國會圖書館)。


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Remote laser cutting. (Fraunhofer ILT)激光切割

2016半導體光刻工具製造商ASML宣布EUV(極紫外)光刻技術終於準備就緒。通過激光產生的等離子體方法,紅外二氧化碳激光器向熔化的錫的微小液滴發射集中脈衝。過濾出最終的發射脈衝後,結果是一個13.5 nm或EUV的光脈衝。該技術及其產生的波長比半導體生產中使用的193 nm深紫外激光器短得多,是半導體製造領域持續發展的關鍵。

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EUV掃描儀的完整光路,該掃描儀使用波長為13.5 nm的光進行半導體光刻(圖片由ASML提供)

2017堅固耐用的光纖激光器已經變得越來越強大,洛克希德·馬丁公司為美國軍方開發的武器。在三月份的測試中,該系統產生了58 kW的光束,這是此類激光器的世界紀錄。在2015年的測試中,這種強度的一半的激光使一英里外的卡車癱瘓。根據已發表的報告,通過合併多束光束並在衍射極限附近工作,激光達到60 kW的閾值。據說激光系統是高效的,可以將超過43%的電能轉化為光。

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戰術車輛安裝了千瓦級激光武器系統(圖片由洛克希德·馬丁公司提供)

2018年7月,勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore NationalLaboratory)的國家點火裝置激光系統創造了新紀錄:2.15兆焦耳。 這比2012年3月創下的紀錄高出10%以上。


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國家點火裝置的192激光系統創造了紀錄:2.15 MJ(圖片由勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室提供)


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激光技術擁有非常開放市場,研發和應用都很活躍。經過60年的發展,與激光相關的產品、技術和服務形成了豐富和龐大的產業。上游:光學材料及元器件;中游:各種激光器及其配套裝置與設備;下游:激光應用產品、激光製造裝備、消費產品、儀器設備。


激光產業為中國製造、物聯網、智能製造的發展發揮了重要的作用。

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