紅寶石雷射器
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紅寶石雷射器的工作物質是紅寶石棒。已經成為在醫學、工業以及眾多科研領域不可或缺的基本儀器設備。
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紅寶石雷射器簡介
紅寶石雷射器的工作物質是紅寶石棒。在雷射器的設想提出不久，紅寶石就被首先用來製成了世界上第一台雷射器。雷射用紅寶石晶體的基質是Al2O3，晶體內摻有約0.05%（重量比）的Gr2O3。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，光學上屬於負單軸晶體。在Xe（氙）燈照射下，紅寶石晶體中原來處於基態E1的粒子，吸收了Xe燈發射的光子而被激發到E3能級。粒子在E3能級的平均壽命很短（約10-9秒）。大部分粒子通過無輻射躍遷到達雷射上能級E2。粒子在E2能級的壽命很長，可達3×10-3秒。所以在E2能級上積累起大量粒子，形成E2和E1之間的粒子數反轉，此時晶體對頻率ν滿足
hν＝E2-E1
（其中h為普朗克常數，E2、E1分別為雷射上、下能級的能量）的光子有放大作用，即對該頻率的光有增益。當增益G足夠大，能滿足閾值條件時，就在部分反射鏡端有波長為6943×10-10米的雷射輸出。
工作原理
在雷射器的設想提出不久，紅寶石就被首先用來製成了世界上第一台雷射器。雷射用紅寶石晶體的基質是Al2O3，晶體內摻有約0.05%（重量比）的Gr2O3。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，光學上屬於負單軸晶體。在Xe（氙）燈照射下，紅寶石晶體中原來處於基態E1的粒子，吸收了Xe燈發射的光子而被激發到E3能級。粒子在E3能級的平均壽命很短（約10-9秒）。大部分粒子通過無輻射躍遷到達雷射上能級E2。粒子在E2能級的壽命很長，可達3×10-3秒。所以在E2能級上積累起大量粒子，形成E2和E1之間的粒子數反轉，此時晶體對頻率ν滿足hν＝E2-E1
（其中h為普朗克常數，E2、E1分別為雷射上、下能級的能量）的光子有放大作用，即對該頻率的光有增益。當增益G足夠大，能滿足閾值條件時，就在部分反射鏡端有波長為6943×10-10米的雷射輸出。
誕生背景
愛因斯坦提出的受激輻射概念是其重要的理論基礎。這一理論指出，處於高能態的物質體子受到一個能量等於兩個能級之間能量差的光子的作用，將轉變到低能態，併產生第二個光子，同第一個光子同時發射出來，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，即如多個光子的發射方向、頻率、位相、偏振完全相同。
此後，量子力學的建立和發展使人們對物質的微觀結構及運動規律有了更深入的認識，微觀粒子的能級分布、躍遷和光子輻射等問題也得到了更有力的證明，這也在客觀上更加完善了愛因斯坦的受激輻射理論，為雷射器的產生進一步奠定了理論基礎。20世紀40年代末，量子電子學誕生後，被很快應用於研究電磁輻射與各種微觀粒子系統的相互作用，並研製出許多相應的器件。這些科學理論和技術的快速發展都為雷射器的發明創造了條件。
1951年，美國物理學家珀塞爾和龐德在實驗中成功地造成了粒子數反轉，並獲得了每秒50千赫的受激輻射。稍後，美國物理學家查爾斯.湯斯以及蘇聯物理學家馬索夫和普羅霍洛夫先後提出了利用原子和分子的受激輻射原理來產生和放大微波的設計。
1960年，美國物理學家西奧多.梅曼在佛羅里達州邁阿密的研究實驗室里，勉強贏得了這場世界範圍內的研製競賽。他用一個高強閃光燈管來刺激在紅寶石水晶里的鉻原子，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使這一點達到比太陽還高的溫度。
發明過程
雷射器通過受激發射放大原理產生一種相干光輻射(雷射)。1960年7月7日，《紐約時報》首先披露，梅曼成功製成了世界上第一台紅寶石雷射器，他以閃光燈的光線照射進一根手指頭大小的特殊紅寶石晶體，創造出了相干脈衝雷射光束，這一成果後來震驚了全世界。在全世界頂尖的實驗室都爭取第一個發明雷射器的情況下，梅曼當時的僱主——洛杉磯休斯飛機公司(Hughes Aircraft Company)獲得了勝利。
不過，梅曼在發表文章時並不順利。他先把論文投到《物理評論快報》(PRL)，但當時的編輯Sam Goudsmit認為這只是又一篇maser 重複工作的文章，因此拒絕發表。後來梅曼終於將文章發表在《自然》雜誌上。當然，經過多年的努力爭取，梅曼的成就已經得到了廣泛的承認。
梅曼1927年7月11日生於加州洛杉磯，是一個電力工程師的兒子。父親希望他成為一位醫生，但他認為對雷射的研究將對醫學產生更大的影響。儘管梅曼小時候是一個野性難馴的孩子，但他的數學非常好。在1949年從科羅拉多大學碩士畢業後，梅曼來到史丹福大學攻讀博士研究生，並於1955年獲得博士學位，他的導師是於1955年獲得諾貝爾物理學獎的拉姆(Willis E. Lamb)。
在休斯飛機公司工作時，梅曼告訴老闆他希望能夠製造一台雷射器，但由於當時其他著名實驗室都沒有做出什麼令人振奮的成果，休斯公司還是希望他在計算機方面進行一些「有用」的工作。但梅曼堅持要進行研究，並以辭職相威脅。最終公司給了他9個月的時間，5萬美元和一位助手。
在第一台雷射器獲得成功後，梅曼又繼續對雷射器在醫學治療上的應用進行研究，儘管當時的公眾認為這是一種「致死」的光線。不過，由於休斯公司並沒有再對雷射器的潛在應用進行更多的投入，梅曼選擇了離開並於1961年創辦了自己的Korad公司。
應用
梅曼的發明為人類做出了重大的貢獻，雷射器已經成為在醫學、工業以及眾多科研領域不可或缺的基本儀器設備。
發明者
美國物理學家、世界上第一台雷射器的發明者希爾多•梅曼(Theodore H. Maiman)因病於加拿大溫哥華的不列顛哥倫比亞大學逝世，享年79歲。梅曼罹患的是系統性肥大細胞增多症(systemic mastocytosis)，一種罕見的遺傳疾病。
終其一生，梅曼獲得了無數的獎勵。儘管1964年的諾貝爾物理學獎並沒有授予發明了世界上第一台雷射器的他，而是給了此前發明了微波激射器並提出雷射器原理與設計方案的美國貝爾實驗室物理學家湯斯和蘇聯物理學家巴索夫、普羅霍羅夫，但梅曼仍兩次獲得諾貝爾獎提名，並獲得了物理學領域著名的日本獎和沃爾夫獎。他還於1984年被列入「美國發明家名人堂」(National Inventors Hall of Fame)。在《自然》雜誌一百周年紀念的一本書中，湯斯將梅曼的論文稱為該雜誌100年來發表的所有精彩論文中「字字珠璣的最重要的一篇」。
對梅曼的紀念活動將在5月16日舉行，因為這正是梅曼的雷射器第一次開始工作的日子。
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