激光（Laser，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）技術(shù)，這個(gè)在現(xiàn)代科技中看似神秘而高深的詞匯，實(shí)際上已經(jīng)滲透進(jìn)了我們的日常生活。無(wú)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(yīng)用可不僅僅停留在娛樂(lè)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(qiáng)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(xué)獎(jiǎng)。普朗克從事的是熱力學(xué)研究，他試圖解釋為什么“黑體”輻射（一種能吸收所有波長(zhǎng)光的物體）在加熱時(shí)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(dǎo)出了能量與輻射頻率之間的關(guān)系，從本質(zhì)上說(shuō)，能量只能以離散的小塊（他稱(chēng)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(biāo)志著物理學(xué)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并啟發(fā)了愛(ài)因斯坦等后起之秀。

1905年，愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）發(fā)表了關(guān)于光電效應(yīng)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(chēng)為光子。1917年，愛(ài)因斯坦提出了使激光成為可能的過(guò)程——即受激發(fā)射。他的理論認(rèn)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(zhǎng)的光。但是，科學(xué)家們?cè)诮?0年后才能夠放大這些發(fā)射，從而證明愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)是正確的，并使激光走上了今天成為無(wú)所不在的強(qiáng)大工具的道路。

激光的誕生密碼：受激輻射的奇跡

原子，這個(gè)構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，就像一個(gè)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(jí)，就好比一棟有多個(gè)樓層的大廈，每個(gè)樓層代表一個(gè)特定的能量狀態(tài)。當(dāng)原子從高能量樓層 “跌落” 到低能量樓層時(shí)，會(huì)釋放出一份特定能量的光，這就是自發(fā)輻射，類(lèi)似于從高處掉落的小球釋放能量。而當(dāng)一個(gè)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(huì) “跳躍” 到更高的能量樓層，這一過(guò)程稱(chēng)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(huì)受到外來(lái)光子的 “刺激”，不僅會(huì)回到低能量狀態(tài)，還會(huì)釋放出與外來(lái)光子一模一樣的光子，這就是受激輻射。

想象一下，在一個(gè)充滿(mǎn)鏡子的房間里，有一個(gè)小球不斷地反彈，每反彈一次就復(fù)制出一個(gè)相同的小球。當(dāng)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(lái)回反射的 “共振腔”(resonator)，以及提供初始動(dòng)力的 “激發(fā)來(lái)源”(pumping source)，受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)量就會(huì)不斷放大，最終形成強(qiáng)大且高度集中的激光束。

一臺(tái)完整的激光器，就像一個(gè)精密協(xié)作的 “光生產(chǎn)車(chē)間”，由三個(gè)關(guān)鍵部分組成：

1.激勵(lì)系統(tǒng)：它是整個(gè)系統(tǒng)的 “動(dòng)力源”，通過(guò)光照、通電或者化學(xué)反應(yīng)等方式，為增益介質(zhì)中的原子提供能量，促使原子達(dá)到高能狀態(tài)，就像給汽車(chē)加油讓它能夠啟動(dòng)。

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(zhǎng)的紅光，半導(dǎo)體材料則可以根據(jù)設(shè)計(jì)產(chǎn)生不同顏色、功率

3.光學(xué)諧振腔：光學(xué)諧振腔堪稱(chēng)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(guò)來(lái)的光子反射回去，就像一面完美的鏡子，讓光子無(wú)法 “逃脫”；而另一面鏡子則 “網(wǎng)開(kāi)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(gè) “光子運(yùn)動(dòng)場(chǎng)” 里，光子在兩面鏡子之間來(lái)回穿梭，每一次反射都會(huì)經(jīng)過(guò)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(gè)過(guò)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?？梢哉f(shuō)，光學(xué)諧振腔不僅決定了激光的強(qiáng)度，還精確篩選出了激光的方向和波長(zhǎng)，讓激光擁有了獨(dú)特的 “個(gè)性”。

技術(shù)突破：從微波激射器到第一束激光

1954 年，美國(guó)物理學(xué)家查爾斯?湯斯（Charles Hard Townes）取得重大突破。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用氨氣作為工作物質(zhì)，制造出世界上第一臺(tái)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(shí)現(xiàn)了微波頻段的受激輻射放大。這一成果不僅驗(yàn)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(jiān)實(shí)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(xiàn)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(jì)出開(kāi)放式光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)后來(lái)成為激光器的標(biāo)準(zhǔn)配置。肖洛的理論工作，讓眾多科學(xué)家看到了制造 "光學(xué)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(xiě)下 "LASER"這個(gè)縮寫(xiě)詞，并詳細(xì)記錄了激光的設(shè)計(jì)方案和潛在應(yīng)用。他設(shè)想用強(qiáng)閃光燈泵浦紅寶石，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這本帶有公證印章的筆記本，后來(lái)成為他爭(zhēng)奪激光發(fā)明權(quán)的重要依據(jù)。

歷史性時(shí)刻：邁曼與第一臺(tái)紅寶石激光器

1960 年 5 月 16 日，休斯研究實(shí)驗(yàn)室的西奧多?邁曼（Theodore H. Maiman）成功制造出世界上第一臺(tái)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(guò)精確控制閃光燈的泵浦強(qiáng)度和脈沖寬度，能有效實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

Maiman和他的紅寶石激光器

邁曼的實(shí)驗(yàn)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(dāng)他啟動(dòng)設(shè)備，一道波長(zhǎng) 694.3 納米的深紅色激光束射出，持續(xù)時(shí)間僅幾毫秒。這看似短暫的閃光，卻標(biāo)志著人類(lèi)首次實(shí)現(xiàn)了光頻段的受激輻射放大。

在美國(guó)做出激光器后一年，也就是1961年秋，長(zhǎng)春光機(jī)所的年輕科研人員王之江就在老師——王大珩院士指導(dǎo)下于1961年做出了中國(guó)第一臺(tái)激光器。1964年10月，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所主辦的《光受激發(fā)射情報(bào)》（其前身為《光量子放大專(zhuān)刊》）雜志編輯部致信錢(qián)學(xué)森，請(qǐng)他為L(zhǎng)ASER取一個(gè)中文名字，錢(qián)學(xué)森建議中文名為“激光”。同年12月，上海召開(kāi)第三屆光量子放大器學(xué)術(shù)會(huì)議，由嚴(yán)濟(jì)慈主持，討論后正式采納錢(qián)學(xué)森的建議，將“通過(guò)輻射受激發(fā)射的光放大”的英文縮寫(xiě)LASER正式翻譯為“激光”。隨后，《光受激發(fā)射情報(bào)》雜志也改名為《激光情報(bào)》。

中國(guó)光學(xué)之父——王大珩院士

中國(guó)激光之父——王之江

我國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器

技術(shù)爆發(fā)：從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化

1961 年，首批商用激光器開(kāi)始推向市場(chǎng)，但早期設(shè)備存在體積龐大、價(jià)格昂貴等問(wèn)題。一臺(tái)紅寶石激光器售價(jià)高達(dá)10萬(wàn)美元（相當(dāng)于今天的 100 萬(wàn)美元），且需要專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員操作，限制了其應(yīng)用范圍。

1962 年是激光技術(shù)發(fā)展的重要節(jié)點(diǎn)：貝爾實(shí)驗(yàn)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(lái)的光存儲(chǔ)和光纖通信奠定基礎(chǔ)。這些突破推動(dòng)激光技術(shù)向小型化、實(shí)用化方向發(fā)展。

1970 年代，隨著半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步，激光開(kāi)始進(jìn)入民用領(lǐng)域。1977 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室完成首個(gè)光纖通信系統(tǒng)商業(yè)安裝；1982 年，音頻 CD 問(wèn)世，激光首次應(yīng)用于大眾消費(fèi)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(lèi)的信息傳輸方式。

應(yīng)用拓展：重塑世界的神奇之光

1、激光核聚變：追逐 “人造太陽(yáng)” 的熾熱夢(mèng)想

激光核聚變旨在模擬太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變過(guò)程，利用高功率激光瞬間壓縮燃料靶丸，引發(fā)核聚變反應(yīng)釋放巨大能量 。美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）堪稱(chēng)激光核聚變領(lǐng)域的 “巨無(wú)霸”。 2022 年 12 月，NIF 團(tuán)隊(duì)取得重大突破，首次實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的 “凈能量增益”，即產(chǎn)生的能量超過(guò)了輸入激光的能量 。這一成果由物理學(xué)家馬克?赫爾曼（Mark Herrmann）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)完成，此次成功標(biāo)志著人類(lèi)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(yáng)” 不再是遙不可及的夢(mèng)想。

美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）

2、激光醫(yī)療：生命科學(xué)的 “溫柔手術(shù)刀”

醫(yī)療領(lǐng)域的激光應(yīng)用同樣令人矚目。眼科手術(shù)中，德國(guó)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(dòng)者之一。飛秒激光能以 500 萬(wàn)億分之一秒的速度切削角膜，幫助數(shù)百萬(wàn)近視患者重獲清晰視力。在腫瘤治療方面，激光光動(dòng)力療法（PDT）為癌癥患者帶來(lái)新希望。美國(guó)科學(xué)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(huì)產(chǎn)生活性氧，從而破壞腫瘤細(xì)胞。

3、激光加工：微觀世界的 “精雕細(xì)琢”

在半導(dǎo)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(jìn)制程芯片的關(guān)鍵。阿斯麥（ASML）公司在光刻技術(shù)專(zhuān)家彼得?本尼迪克特（Peter Benedict）帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)不斷優(yōu)化激光光源和光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)十多年努力，終于實(shí)現(xiàn)了極紫外光刻機(jī)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(dòng)了半導(dǎo)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?？湛凸驹谥圃?A350 客機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)件時(shí)，采用激光焊接技術(shù)替代傳統(tǒng)鉚接工藝。工程師團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人麗莎?約翰遜（Lisa Johnson）帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研究激光焊接參數(shù)與材料特性的匹配關(guān)系，成功實(shí)現(xiàn)了無(wú)鉚釘?shù)募す夂附?，使機(jī)翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jī)（EUV）

結(jié)語(yǔ)

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(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的數(shù)據(jù)傳輸；激光冷卻技術(shù)助力量子計(jì)算機(jī)的量子比特制備。未來(lái)學(xué)家預(yù)測(cè)，激光驅(qū)動(dòng)的核聚變反應(yīng)堆有望在 2050 年前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，徹底解決能源問(wèn)題。

從愛(ài)因斯坦的理論預(yù)言，到邁曼的實(shí)驗(yàn)突破；從價(jià)值百萬(wàn)美元的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，到無(wú)處不在的消費(fèi)電子產(chǎn)品，激光技術(shù)的發(fā)展歷程堪稱(chēng)一部波瀾壯闊的科技史詩(shī)。這道神奇之光，不僅改變了人類(lèi)的生產(chǎn)生活方式，更在持續(xù)拓展著我們對(duì)物理世界的認(rèn)知邊界。激光技術(shù)就像一把神奇的鑰匙，不斷開(kāi)啟未知世界的大門(mén)。在科學(xué)家們的不懈努力下，那些看似科幻的場(chǎng)景正逐漸走向現(xiàn)實(shí)。未來(lái)，隨著量子光學(xué)、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(lèi)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(shuō)："我們才剛剛開(kāi)始發(fā)掘光的潛力。" 在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，激光必將繼續(xù)書(shū)寫(xiě)屬于它的傳奇篇章。（來(lái)源：SAIST上理格致青年，參考文獻(xiàn)略 作者：何楷樹(shù)、楊博申偉、武益智，2023級(jí)格致創(chuàng)新班本科生）