激光（Laser，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）技術(shù)，這個在現(xiàn)代科技中看似神秘而高深的詞匯，實際上已經(jīng)滲透進了我們的日常生活。無論是你在醫(yī)院接受的激光治療，還是在電影院觀看的3D電影，激光技術(shù)都在悄悄地為我們提供便利。然而，激光技術(shù)的應用可不僅僅停留在娛樂和醫(yī)療領(lǐng)域，它在工業(yè)、通訊、材料加工等方面也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，尤其是在激光工藝技術(shù)的發(fā)展中，更是展現(xiàn)了其強大的生命力。本文主要討論了激光工藝技術(shù)的發(fā)展歷程。
引言
如果不了解光是一種電磁輻射形式，就不可能有激光。馬克斯·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）因發(fā)現(xiàn)基本能量量子而于1918年獲得諾貝爾物理學獎。普朗克從事的是熱力學研究，他試圖解釋為什么“黑體”輻射（一種能吸收所有波長光的物體）在加熱時并不能同樣輻射出所有頻率的光。在他于1900年發(fā)表的最重要的著作中，普朗克推導出了能量與輻射頻率之間的關(guān)系，從本質(zhì)上說，能量只能以離散的小塊（他稱之為量子）形式發(fā)射或吸收，即使這些小塊非常小。他的理論標志著物理學的轉(zhuǎn)折點，并啟發(fā)了愛因斯坦等后起之秀。
1905年，愛因斯坦（Albert Einstein）發(fā)表了關(guān)于光電效應的論文，提出光也是以塊狀形式傳遞能量的，在這種情況下，離散的量子粒子現(xiàn)在被稱為光子。1917年，愛因斯坦提出了使激光成為可能的過程——即受激發(fā)射。他的理論認為，除了自發(fā)吸收和發(fā)射光之外，電子還可以受激發(fā)射特定波長的光。但是，科學家們在近40年后才能夠放大這些發(fā)射，從而證明愛因斯坦的觀點是正確的，并使激光走上了今天成為無所不在的強大工具的道路。
激光的誕生密碼：受激輻射的奇跡
原子，這個構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，就像一個微觀世界的 “能量調(diào)控站”。它內(nèi)部存在著不同的能量等級，就好比一棟有多個樓層的大廈，每個樓層代表一個特定的能量狀態(tài)。當原子從高能量樓層 “跌落” 到低能量樓層時，會釋放出一份特定能量的光，這就是自發(fā)輻射，類似于從高處掉落的小球釋放能量。而當一個光子 “闖入” 原子世界，被處于低能量狀態(tài)的原子吸收后，原子就會 “跳躍” 到更高的能量樓層，這一過程稱為受激吸收。更奇妙的是，處于高能量狀態(tài)的原子在特定條件下，會受到外來光子的 “刺激”，不僅會回到低能量狀態(tài)，還會釋放出與外來光子一模一樣的光子，這就是受激輻射。
想象一下，在一個充滿鏡子的房間里，有一個小球不斷地反彈，每反彈一次就復制出一個相同的小球。當我們創(chuàng)造合適的條件（產(chǎn)生激光三要素），比如引入能提供能量的 “增益介質(zhì)”(gain medium)、讓光子來回反射的 “共振腔”(resonator)，以及提供初始動力的 “激發(fā)來源”(pumping source)，受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)量就會不斷放大，最終形成強大且高度集中的激光束。
一臺完整的激光器，就像一個精密協(xié)作的 “光生產(chǎn)車間”，由三個關(guān)鍵部分組成：
1.激勵系統(tǒng)：它是整個系統(tǒng)的 “動力源”，通過光照、通電或者化學反應等方式，為增益介質(zhì)中的原子提供能量，促使原子達到高能狀態(tài)，就像給汽車加油讓它能夠啟動。
2.激光物質(zhì)：也就是增益介質(zhì)，是產(chǎn)生激光的 “核心工廠”。不同的激光物質(zhì)能產(chǎn)生不同特性的激光，比如氖氣能產(chǎn)生特定波長的紅光，半導體材料則可以根據(jù)設(shè)計產(chǎn)生不同顏色、功率
3.光學諧振腔：光學諧振腔堪稱激光器的 “靈魂組件”，它由兩面特殊的鏡子構(gòu)成。其中一面鏡子幾乎能將所有照射過來的光子反射回去，就像一面完美的鏡子，讓光子無法 “逃脫”；而另一面鏡子則 “網(wǎng)開一面”，允許一小部分光子穿透出去，這穿透的光子流，就是我們最終獲得的激光。
在這個 “光子運動場” 里，光子在兩面鏡子之間來回穿梭，每一次反射都會經(jīng)過增益介質(zhì)，刺激更多的原子產(chǎn)生受激輻射，生成大量相同的光子。這個過程就像滾雪球一樣，光子數(shù)量不斷增加，而且在兩面鏡子的約束下，只有沿著特定方向的光子能夠持續(xù)反射、放大，最終形成方向高度一致、顏色純凈的激光束。可以說，光學諧振腔不僅決定了激光的強度，還精確篩選出了激光的方向和波長，讓激光擁有了獨特的 “個性”。
技術(shù)突破：從微波激射器到第一束激光
1954 年，美國物理學家查爾斯?湯斯（Charles Hard Townes）取得重大突破。他帶領(lǐng)團隊利用氨氣作為工作物質(zhì)，制造出世界上第一臺微波激射器（MASER）。湯斯創(chuàng)造性地將分子束技術(shù)與諧振腔結(jié)合，實現(xiàn)了微波頻段的受激輻射放大。這一成果不僅驗證了受激輻射理論的可行性，更為后續(xù)激光技術(shù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。
湯斯的同事阿瑟?肖洛（Arthur Schawlow）在激光理論方面同樣貢獻卓著。1958 年，他與湯斯合作發(fā)表論文，提出將微波激射器原理拓展到光頻段的設(shè)想，并設(shè)計出開放式光學諧振腔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)后來成為激光器的標準配置。肖洛的理論工作，讓眾多科學家看到了制造 "光學激射器" 的可能性。
1957 年，湯斯的助手戈登?古爾德（Gordon Gould）在筆記本上首次寫下 "LASER"這個縮寫詞，并詳細記錄了激光的設(shè)計方案和潛在應用。他設(shè)想用強閃光燈泵浦紅寶石，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這本帶有公證印章的筆記本，后來成為他爭奪激光發(fā)明權(quán)的重要依據(jù)。
歷史性時刻：邁曼與第一臺紅寶石激光器
1960 年 5 月 16 日，休斯研究實驗室的西奧多?邁曼（Theodore H. Maiman）成功制造出世界上第一臺激光器。他選用合成紅寶石作為工作物質(zhì)，這種材料此前因熒光效率低不被看好，但邁曼發(fā)現(xiàn)，通過精確控制閃光燈的泵浦強度和脈沖寬度，能有效實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。
Maiman和他的紅寶石激光器
邁曼的實驗裝置由一根螺旋形閃光燈和中間的紅寶石棒組成，兩端鍍有反射膜構(gòu)成諧振腔。當他啟動設(shè)備，一道波長 694.3 納米的深紅色激光束射出，持續(xù)時間僅幾毫秒。這看似短暫的閃光，卻標志著人類首次實現(xiàn)了光頻段的受激輻射放大。
在美國做出激光器后一年，也就是1961年秋，長春光機所的年輕科研人員王之江就在老師——王大珩院士指導下于1961年做出了中國第一臺激光器。1964年10月，中國科學院長春光機所主辦的《光受激發(fā)射情報》（其前身為《光量子放大專刊》）雜志編輯部致信錢學森，請他為LASER取一個中文名字，錢學森建議中文名為“激光”。同年12月，上海召開第三屆光量子放大器學術(shù)會議，由嚴濟慈主持，討論后正式采納錢學森的建議，將“通過輻射受激發(fā)射的光放大”的英文縮寫LASER正式翻譯為“激光”。隨后，《光受激發(fā)射情報》雜志也改名為《激光情報》。
中國光學之父——王大珩院士
中國激光之父——王之江
我國第一臺紅寶石激光器
技術(shù)爆發(fā)：從實驗室到產(chǎn)業(yè)化
1961 年，首批商用激光器開始推向市場，但早期設(shè)備存在體積龐大、價格昂貴等問題。一臺紅寶石激光器售價高達10萬美元（相當于今天的 100 萬美元），且需要專業(yè)技術(shù)人員操作，限制了其應用范圍。
1962 年是激光技術(shù)發(fā)展的重要節(jié)點：貝爾實驗室研制出釔鋁石榴石（YAG）激光器，這種固體激光器性能更穩(wěn)定；同年，尼克·霍洛尼亞克（Nick Holonyak Jr.） 發(fā)明紅色激光二極管，為后來的光存儲和光纖通信奠定基礎(chǔ)。這些突破推動激光技術(shù)向小型化、實用化方向發(fā)展。
1970 年代，隨著半導體技術(shù)進步，激光開始進入民用領(lǐng)域。1977 年，貝爾實驗室完成首個光纖通信系統(tǒng)商業(yè)安裝；1982 年，音頻 CD 問世，激光首次應用于大眾消費產(chǎn)品。到 1990 年代，光纖通信網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全球，激光徹底改變了人類的信息傳輸方式。
應用拓展：重塑世界的神奇之光
1、激光核聚變：追逐 “人造太陽” 的熾熱夢想
激光核聚變旨在模擬太陽內(nèi)部的核聚變過程，利用高功率激光瞬間壓縮燃料靶丸，引發(fā)核聚變反應釋放巨大能量 。美國國家點火裝置（NIF）堪稱激光核聚變領(lǐng)域的 “巨無霸”。 2022 年 12 月，NIF 團隊取得重大突破，首次實現(xiàn)核聚變反應的 “凈能量增益”，即產(chǎn)生的能量超過了輸入激光的能量 。這一成果由物理學家馬克?赫爾曼（Mark Herrmann）領(lǐng)導的團隊完成，此次成功標志著人類向?qū)崿F(xiàn)可控核聚變能源邁出關(guān)鍵一步，也讓 “人造太陽” 不再是遙不可及的夢想。
美國國家點火裝置（NIF）
2、激光醫(yī)療：生命科學的 “溫柔手術(shù)刀”
醫(yī)療領(lǐng)域的激光應用同樣令人矚目。眼科手術(shù)中，德國醫(yī)生塞巴斯蒂安?席姆施（Sebastian Seimsch）是飛秒激光近視手術(shù)技術(shù)的重要推動者之一。飛秒激光能以 500 萬億分之一秒的速度切削角膜，幫助數(shù)百萬近視患者重獲清晰視力。在腫瘤治療方面，激光光動力療法（PDT）為癌癥患者帶來新希望。美國科學家托馬斯?道格迪爾（Thomas Dougherty）是該療法的先驅(qū)，他發(fā)現(xiàn)特定的光敏劑在激光照射下會產(chǎn)生活性氧，從而破壞腫瘤細胞。
3、激光加工：微觀世界的 “精雕細琢”
在半導體芯片制造中，極紫外（EUV）激光光刻技術(shù)是生產(chǎn) 7 納米及以下先進制程芯片的關(guān)鍵。阿斯麥（ASML）公司在光刻技術(shù)專家彼得?本尼迪克特（Peter Benedict）帶領(lǐng)團隊不斷優(yōu)化激光光源和光學系統(tǒng)，經(jīng)過十多年努力，終于實現(xiàn)了極紫外光刻機EUV 激光光刻技術(shù)的突破，讓芯片上的晶體管尺寸不斷縮小，推動了半導體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。在航空航天領(lǐng)域，激光加工技術(shù)為制造高精度零部件立下汗馬功勞。空客公司在制造 A350 客機的機翼結(jié)構(gòu)件時，采用激光焊接技術(shù)替代傳統(tǒng)鉚接工藝。工程師團隊負責人麗莎?約翰遜（Lisa Johnson）帶領(lǐng)團隊研究激光焊接參數(shù)與材料特性的匹配關(guān)系，成功實現(xiàn)了無鉚釘?shù)募す夂附樱箼C翼結(jié)構(gòu)強度提升 20%，重量減輕 15%。
“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠”極紫外光刻機（EUV）
結(jié)語
在量子領(lǐng)域，激光正扮演核心角色。單光子激光器用于量子通信，實現(xiàn)絕對安全的數(shù)據(jù)傳輸；激光冷卻技術(shù)助力量子計算機的量子比特制備。未來學家預測，激光驅(qū)動的核聚變反應堆有望在 2050 年前實現(xiàn)商業(yè)化，徹底解決能源問題。
從愛因斯坦的理論預言，到邁曼的實驗突破；從價值百萬美元的實驗室設(shè)備，到無處不在的消費電子產(chǎn)品，激光技術(shù)的發(fā)展歷程堪稱一部波瀾壯闊的科技史詩。這道神奇之光，不僅改變了人類的生產(chǎn)生活方式，更在持續(xù)拓展著我們對物理世界的認知邊界。激光技術(shù)就像一把神奇的鑰匙，不斷開啟未知世界的大門。在科學家們的不懈努力下，那些看似科幻的場景正逐漸走向現(xiàn)實。未來，隨著量子光學、人工智能等前沿技術(shù)與激光技術(shù)的深度融合，我們有理由相信，這道神奇之光將繼續(xù)創(chuàng)造奇跡，照亮人類探索宇宙、追尋真理、追求美好生活的漫漫征途，帶領(lǐng)我們走向更加璀璨的明天。正如激光先驅(qū)湯斯所說："我們才剛剛開始發(fā)掘光的潛力。" 在可預見的未來，激光必將繼續(xù)書寫屬于它的傳奇篇章。（來源：SAIST上理格致青年，參考文獻略 作者：何楷樹、楊博申偉、武益智，2023級格致創(chuàng)新班本科生）
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