1.1 激光发展简史

1.爱因斯坦的理论贡献

世界上第一台激光器出现于1960年，然而导致激光发明的理论基础可以追溯到1917年，爱因斯坦（Albert Einstein）在研究光辐射与原子相互作用时，提出光的受激辐射的概念，从理论上预见了激光产生的可能性。20世纪30年代，理论物理学家又证明受激辐射产生的光子的振动频率、偏振方向和传播方向都和引发产生受激辐射的激励光子完全相同。

如果光源的发光主要是受激辐射，就可以实现光放大效应，也就是说能够得到激光。但是，普通光源产生的光辐射以自发辐射为主，受激辐射的成分非常少，没有实际应用的价值，因此，爱因斯坦当初提出的受激辐射概念并没有受到重视。

2.激光的发明与发展

20世纪50年代，电子学、微波技术的应用提出了将无线电技术从微波（波长为厘米量级）推向光波（波长为微米量级）的需求。这就需要一种能像微波振荡器一样地产生可以被控制的光波的振荡器，这就是当时光学技术迫切需要的强相干光源，即激光器。当时利用微波振荡器产生微波的方法，是在一个尺度与波长可比拟的封闭的谐振腔中，利用自由电子与电磁场的相互作用实现电磁波的放大和振荡。由于光波波长极短，很难用这种方法实现光波振荡。美国科学家汤斯（Charles H.Townes）、前苏联的科学家巴索夫（Nikolai G.Basov）和普罗克霍洛夫（Aleksander M.Prokhorov）创造性地继承和发展爱因斯坦的理论，提出利用原子、分子的受激辐射来放大电磁波的新方法，并于1954年发明了氨分子微波振荡器——一种在微波波段的受激辐射放大器（Microwave amplification by stimulated emission of radiation，Maser）。

Maser的成功，证明了受激辐射原理技术应用的可行性。由此，许多科学家设想把微波激射器的原理推广到波长更短的光波波段，从而制成受激辐射光放大器（Light amplification by stimulated emission of radiation，Laser）。汤斯和贝尔实验室（Bell Laborary）的肖洛（Arthnr L.Schawlow）在合作研究的基础上，于1958年在《物理评论》（Phys.Rev.1958，vol.112，1940）杂志上发表了题为《红外和光学激射器》（Infrared and Optical Maser）的论文，讨论并概括了光波段受激辐射放大器的主要问题和困难，给出了实现光受激辐射放大需要满足的必要条件，提出了利用尺度远大于波长的开放式光学谐振腔（借用传统光学中F-P干涉仪的概念）实现激光器的新思想。这篇文章标志着激光时代的开端，从此，激光研究领域翻开了新的篇章，全世界许多研究小组纷纷提出各种实验方案，竞相投入研制第一台激光器的竞赛中。

1960年5月，美国休斯公司（Hughes）实验室从事红宝石荧光研究的年轻人梅曼（Theodore H.Maiman）经过两年时间的努力，制成了世界上第一台红宝石固体激光器（波长694.3nm）。梅曼的方案是利用掺铬的红宝石晶体做发光材料，用发光强度很高的脉冲氙灯做激发光源，如图1-1所示。同年7月，休斯公司召开新闻发布会，隆重宣布激光器的诞生，从此开创了激光技术的历史。

图1-1 世界上第一台红宝石激光器的结构

随后，各种类型的激光器层出不穷，激光技术迅速发展。1960年12月，贝尔实验室的贾范（Javan）、海利特（Herriot）、贝纳特（Bennett）等人利用高频放电激励氦氖（He-Ne）气体，制成世界上第一台氦氖激光器，可输出波长1150nm上下几种波长的连续光，在其影响下产生了一系列气体激光器。1962年出现了半导体激光器；1964年帕特尔（C.Patel）发明了第一台二氧化碳（CO2）激光器；1965年发明了第一台钇铝石榴石（YAG）激光器；1967年第一台X射线激光器研制成功；1968年开始发展高功率CO2激光器；1971年出现了第一台商用1kW CO2激光器，高功率激光器的研制成功，推动了激光应用技术的迅速发展；1997年，美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器。

与此同时，选频、稳频、调制、调Q、锁模等各种激光技术也相继出现。各种科学和技术领域纷纷应用激光并形成了一系列新的交叉学科和应用技术领域。

现在已在几千种工作物质中实现了光放大或制成了激光器，如气体激光器、液体激光器、固体激光器、化学激光器、准分子激光器和半导体激光器等。激光的应用遍及通信、信息处理、工业、农业、医学、军事、科学研究等许多领域。

3.中国激光技术的发展

在国际上热烈开展激光研究的同时，我国也在积极开展这项研究。我国第一台激光器于1961年8月研制成功，是中国科学院长春光学精密机械研究所王之江领导设计并和邓锡铭、汤星里、杜继禄等共同实验研制的，所以中国光学界尊称王之江为“中国激光之父”。他研制的激光器也是红宝石激光器，但在结构上与梅曼的有所不同，最明显的地方是，泵浦灯不是螺旋氙灯，而是直管式氙灯，灯和红宝石棒并排地放在球形聚光器的附近，如图1-2所示。这是因为经过王之江的计算，这样会比螺旋氙灯获得更好的效果。实践证明，这种设想和计算是正确的，如今世界上的固体激光器大都是采用这种方式。

图1-2 改进后的红宝石激光器结构

此后短短几年内，激光技术迅速发展，各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术（如腔的Q值突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等）纷纷提出并获得实施，其中不少具有独创性。

同时，作为具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源，激光很快应用于各个技术领域，显示出强大的生命力和竞争力。通信方面，1964年9月用激光演示传送电视图像，1964年11月实现3～30km的通话。工业方面，1965年5月激光打孔机成功地用于拉丝模打孔生产，获得显著经济效益。医学方面，1965年6月激光视网膜焊接器进行了动物和临床实验。国防方面，1965年12月研制成功激光漫反射测距机（精度为10m/10km），1966年4月研制出遥控脉冲激光多普勒测速仪。

目前，以激光器为基础的激光技术在我国得到了迅速的发展。激光已渗透到各个学科领域，极大地促进了这些领域的技术进步和发展。激光产业正在我国逐步形成，其中包括激光音像、激光通信、激光加工、激光医疗、激光检测、激光印刷设备及激光全息等。

4.“激光”名称的由来

“激光”在英文中是Laser，即Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation一词的缩写，意译为“受激辐射引起的光放大”，一直到1964年年底，还没有一个统一的、大家认同的中文名称。1964年10月，钱学森致信《受激光发射译文集》（即现《国外激光》）编辑部，建议称为“激光”，同年12月，在全国第三届光受激辐射学术会议上，正式采纳了钱学森的这个建议，从此，“Laser”的中文译名统一称为“激光”。