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激光的发明——现代光学时期 2021-06-28



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现代光学是以激光的发展为基础的。激光的发明是光学发展史上一个革命性的里程碑。

红宝石激光器的诞生使人类第一次获得自然界不存在的光源——激光。激光由于具有高强度、良好的单色性和方向性,在材料加工、精密测量、通信、测距、全息检测、医疗、农业等领域得到了广泛的应用。随着现代科学技术的发展,激光已经进入了超快、超强的领域。激光可以产生4fs(1FS=10-15s)的超短脉冲,因此短时间尺度可以测量飞秒级的物理变化。物质的稳定存在是因为原子核有足够的结合力来限制电子。以氢为例,力约为1016w/cm2。现在激光强度可以达到1021-22w/cm2。这样激光场对原子的作用力就不再是微扰级,很容易将电子和原子核撕裂开来,从而可以探索亚原子级的微观结构。


激光产生了极端的时间尺度和极端的场强,极大地拓展了光学的应用范围,并将其扩展到高分辨率光学测量、高强度非线性光学、相对论非线性光学、超快动力学和强场物理等领域。飞秒激光对分子解离过程的研究已于1999年获得诺贝尔化学奖,利用激光超高时间分辨率的特性来探测分子的解离过程对化学研究具有重要意义。激光聚焦可获得1012v/m的电场,超强激光与等离子体相互作用可产生比常规加速器高1000倍以上的加速电场。此外,光已成为当代计量学的新尺度。在1983年第17届国际计量大会上,米是光在真空中传播1/299792458秒的路径长度。


光是现代科学技术的重要推动力。光学与信息、先进制造、能源、健康和国家安全密切相关,推动着人类社会的发展。


1.光与信息:光通信、光开关、光全息、CCD成像、光量子通信、立体胶片、光学胃镜、计算机,光电探测器等,能反映光与信息的关系。以互联网计算机为例,如果去掉光的作用,依靠光纤通信的计算机信息传输和依靠光刻的芯片处理将不复存在,整个信息时代将消失。光信息传输是先对0和1信息进行编码,然后解码输出信号。光开关决定了信息的传递。光响应的速度决定了信息传输的速度。如今,人们对自动驾驶的新认识也依赖于光学。通过光学信息的采集和处理,实现了车辆的行驶路线、周围物体的避让和路况的确定。光和信息总是紧密相连的。MCT探测器


2.光与先进制造:光刻技术使波长越来越小,现在可以达到几纳米的量级和精度,甚至可以制造纳米级和微米级的微结构,广泛应用于生命科学和医疗领域。激光打标、激光切割、3D打印等应用也随处可见。比如现在70%以上的汽车结构都是采用激光焊接技术完成的,焊接效果与原型车几乎一样,增加了车身的稳定性和安全性,。


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3.光与能源:LED光源因其低电压、低能耗、高安全性而得到广泛应用。激光分离铀同位素、激光聚变、太阳能利用等是光学的重要应用领域。


4.光与健康:X射线的发现深刻影响了医学领域的发展。DNA双螺旋结构是X射线分析在科学家中的应用,在医学领域引起了颠覆性的变化。随着光学显微镜的出现,人们可以观察到细胞和染色体。随着观测精度提高到百纳米尺度,可以观测到高分辨率荧光蛋白的精细结构,这对生物物理学的发展起到了很大的作用。激光美容和激光眼科手术已成为成熟的技术,并广泛应用于美容医学领域


5.激光与国家安全:激光安检、激光武器、激光制导、激光测距、激光导航等,激光几乎是安全与国防研究领域的必备武器中红外QCL激光器

从公元前1665年墨子对光的描述到1665年显微镜的发现,1704年牛顿光学的出版,1865年麦克斯韦方程的诞生,1905年光电效应的发现,1960年激光的诞生,1965年光纤理论的提出 光纤放大器, 光纤放大器,而第一代光纤技术的发展在1973年,1999年,飞秒激光作为一种时间分辨技术被用来测量超快动力学,这是光学史上的一个里程碑。21世纪是光的世纪,光以其不可替代的作用推动着科学和社会的进步。









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