紅寶石激光器的工作物質(zhì)是紅寶石棒。已經(jīng)成為在醫(yī)學(xué)、工業(yè)以及眾多科研領(lǐng)域不可或缺的基本儀器設(shè)備。

工作原理

　　紅寶石激光器的工作物質(zhì)是紅寶石棒。在激光器的設(shè)想提出不久，紅寶石就被首先用來(lái)制成了世界上第一臺(tái)激光器。激光用紅寶石晶體的基質(zhì)是Al2O3，晶體內(nèi)摻有約0.05%（重量比）的Cr2O3。Cr3+密度約為，1.58×1019/厘米3。Cr3+在晶體中取代Al3+位置而均勻分布在其中，光學(xué)上屬于負(fù)單軸晶體。在Xe（氙）燈照射下，紅寶石晶體中原來(lái)處于基態(tài)E1的粒子，吸收了Xe燈發(fā)射的光子而被激發(fā)到E3能級(jí)。粒子在E3能級(jí)的平均壽命很短（約10-9秒）。大部分粒子通過(guò)無(wú)輻射躍遷到達(dá)激光上能級(jí)E2。粒子在E2能級(jí)的壽命很長(zhǎng)，可達(dá)3×10-3秒。所以在E2能級(jí)上積累起大量粒子，形成E2和E1之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)晶體對(duì)頻率ν滿足hν=E2—E1
（其中h為普朗克常數(shù)，E2、E1分別為激光上、下能級(jí)的能量）的光子有放大作用，即對(duì)該頻率的光有增益。當(dāng)增益G足夠大，能滿足閾值條件時(shí)，就在部分反射鏡端有波長(zhǎng)為6943×10-10米的激光輸出。

誕生背景

　　愛(ài)因斯坦提出的受激輻射概念是其重要的理論基礎(chǔ)。這一理論指出，處于高能態(tài)的物質(zhì)粒子受到一個(gè)能量等于兩個(gè)能級(jí)之間能量差的光子的作用，將轉(zhuǎn)變到低能態(tài)，并產(chǎn)生第二個(gè)光子，同第一個(gè)光子同時(shí)發(fā)射出來(lái)，這就是受激輻射。這種輻射輸出的光獲得了放大，而且是相干光，即如多個(gè)光子的發(fā)射方向、頻率、位相、偏振完全相同。
此后，量子力學(xué)的建立和發(fā)展使人們對(duì)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律有了更深入的認(rèn)識(shí)，微觀粒子的能級(jí)分布、躍遷和光子輻射等問(wèn)題也得到了更有力的證明，這也在客觀上更加完善了愛(ài)因斯坦的受激輻射理論，為激光器的產(chǎn)生進(jìn)一步奠定了理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)40年代末，量子電子學(xué)誕生后，被很快應(yīng)用于研究電磁輻射與各種微觀粒子系統(tǒng)的相互作用，并研制出許多相應(yīng)的器件。這些科學(xué)理論和技術(shù)的快速發(fā)展都為激光器的發(fā)明創(chuàng)造了條件。
1951年，美國(guó)物理學(xué)家珀塞爾和龐德在實(shí)驗(yàn)中成功地造成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并獲得了每秒50千赫的受激輻射。稍后，美國(guó)物理學(xué)家查爾斯·湯斯以及蘇聯(lián)物理學(xué)家馬索夫和普羅霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激輻射原理來(lái)產(chǎn)生和放大微波的設(shè)計(jì)。
1960年，美國(guó)物理學(xué)家西奧多·梅曼在佛羅里達(dá)州邁阿密的研究實(shí)驗(yàn)室里，勉強(qiáng)贏得了這場(chǎng)世界范圍內(nèi)的研制競(jìng)賽。他用一個(gè)高強(qiáng)閃光燈管來(lái)刺激在紅寶石水晶里的鉻原子，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時(shí)，可使這一點(diǎn)達(dá)到比太陽(yáng)還高的溫度。[1]

發(fā)明過(guò)程

　　激光器通過(guò)受激發(fā)射放大原理產(chǎn)生一種相干光輻射(激光)。1960年7月7日，《紐約時(shí)報(bào)》首先披露，梅曼成功制成了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，他以閃光燈的光線照射進(jìn)一根手指頭大小的特殊紅寶石晶體，創(chuàng)造出了相干脈沖激光光束，這一成果后來(lái)震驚了全世界。在全世界頂尖的實(shí)驗(yàn)室都爭(zhēng)取第一個(gè)發(fā)明激光器的情況下，梅曼當(dāng)時(shí)的雇主——洛杉磯休斯飛機(jī)公司(Hughes Aircraft Company)獲得了勝利。
不過(guò)，梅曼在發(fā)表文章時(shí)并不順利。他先把論文投到《物理評(píng)論快報(bào)》(PRL)，但當(dāng)時(shí)的編輯Sam Goudsmit認(rèn)為這只是又一篇maser 重復(fù)工作的文章，因此拒絕發(fā)表。后來(lái)梅曼終于將文章發(fā)表在《自然》雜志上。當(dāng)然，經(jīng)過(guò)多年的努力爭(zhēng)取，梅曼的成就已經(jīng)得到了廣泛的承認(rèn)。
梅曼1927年7月11日生于加州洛杉磯，是一個(gè)電氣工程師的兒子。父親希望他成為一位醫(yī)生，但他認(rèn)為對(duì)激光的研究將對(duì)醫(yī)學(xué)產(chǎn)生更大的影響。盡管梅曼小時(shí)候是一個(gè)野性難馴的孩子，但他的數(shù)學(xué)非常好。在1949年從科羅拉多大學(xué)碩士畢業(yè)后，梅曼來(lái)到斯坦福大學(xué)攻讀博士研究生，并于1955年獲得博士學(xué)位，他的導(dǎo)師是于1955年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的拉姆(Willis E. Lamb)。
在休斯飛機(jī)公司工作時(shí)，梅曼告訴老板他希望能夠制造一臺(tái)激光器，但由于當(dāng)時(shí)其他著名實(shí)驗(yàn)室都沒(méi)有做出什么令人振奮的成果，休斯公司還是希望他在計(jì)算機(jī)方面進(jìn)行一些“有用”的工作。但梅曼堅(jiān)持要進(jìn)行研究，并以辭職相威脅。最終公司給了他9個(gè)月的時(shí)間，5萬(wàn)美元和一位助手。
在第一臺(tái)激光器獲得成功后，梅曼又繼續(xù)對(duì)激光器在醫(yī)學(xué)治療上的應(yīng)用進(jìn)行研究，盡管當(dāng)時(shí)的公眾認(rèn)為這是一種“致死”的光線。不過(guò)，由于休斯公司并沒(méi)有再對(duì)激光器的潛在應(yīng)用進(jìn)行更多的投入，梅曼選擇了離開(kāi)并于1961年創(chuàng)辦了自己的Korad公司。 [2]

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　　梅曼的發(fā)明為人類做出了重大的貢獻(xiàn)，激光器已經(jīng)成為在醫(yī)學(xué)、工業(yè)以及眾多科研領(lǐng)域不可或缺的基本儀器設(shè)備。

發(fā)明者

　　美國(guó)物理學(xué)家、世界上第一臺(tái)激光器的發(fā)明者希爾多·梅曼(Theodore H. Maiman)因病于加拿大溫哥華的不列顛哥倫比亞大學(xué)逝世，享年79歲。梅曼罹患的是系統(tǒng)性肥大細(xì)胞增多癥(systemic mastocytosis)，一種罕見(jiàn)的遺傳疾病。
終其一生，梅曼獲得了無(wú)數(shù)的獎(jiǎng)勵(lì)。盡管1964年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)并沒(méi)有授予發(fā)明了世界上第一臺(tái)激光器的他，而是給了此前發(fā)明了微波激射器并提出激光器原理與設(shè)計(jì)方案的美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家湯斯和蘇聯(lián)物理學(xué)家巴索夫、普羅霍羅夫，但梅曼仍兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)提名，并獲得了物理學(xué)領(lǐng)域著名的日本獎(jiǎng)和沃爾夫獎(jiǎng)。他還于1984年被列入“美國(guó)發(fā)明家名人堂”(National Inventors Hall of Fame)。在《自然》雜志一百周年紀(jì)念的一本書(shū)中，湯斯將梅曼的論文稱為該雜志100年來(lái)發(fā)表的所有精彩論文中“字字珠璣的最重要的一篇”。
對(duì)梅曼的紀(jì)念活動(dòng)將在5月16日舉行，因?yàn)檫@正是梅曼的激光器第一次開(kāi)始工作的日子。