激光（Laser，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）技術，這個(ge) 在現代科技中看似神秘而高深的詞匯，實際上已經滲透進了我們(men) 的日常生活。無論是你在醫院接受的激光治療，還是在電影院觀看的3D電影，激光技術都在悄悄地為(wei) 我們(men) 提供便利。然而，激光技術的應用可不僅(jin) 僅(jin) 停留在娛樂(le) 和醫療領域，它在工業(ye) 、通訊、材料加工等方麵也發揮著至關(guan) 重要的作用，尤其是在激光工藝技術的發展中，更是展現了其強大的生命力。本文主要討論了激光工藝技術的發展曆程。

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）因發現基本能量量子而於(yu) 1918年獲得諾貝爾物理學獎。普朗克從(cong) 事的是熱力學研究，他試圖解釋為(wei) 什麽(me) “黑體(ti) ”輻射（一種能吸收所有波長光的物體(ti) ）在加熱時並不能同樣輻射出所有頻率的光。在他於(yu) 1900年發表的最重要的著作中，普朗克推導出了能量與(yu) 輻射頻率之間的關(guan) 係，從(cong) 本質上說，能量隻能以離散的小塊（他稱之為(wei) 量子）形式發射或吸收，即使這些小塊非常小。他的理論標誌著物理學的轉折點，並啟發了愛因斯坦等後起之秀。

1905年，愛因斯坦（Albert Einstein）發表了關(guan) 於(yu) 光電效應的論文，提出光也是以塊狀形式傳(chuan) 遞能量的，在這種情況下，離散的量子粒子現在被稱為(wei) 光子。1917年，愛因斯坦提出了使激光成為(wei) 可能的過程——即受激發射。他的理論認為(wei) ，除了自發吸收和發射光之外，電子還可以受激發射特定波長的光。但是，科學家們(men) 在近40年後才能夠放大這些發射，從(cong) 而證明愛因斯坦的觀點是正確的，並使激光走上了今天成為(wei) 無所不在的強大工具的道路。

激光的誕生密碼：受激輻射的奇跡

原子，這個(ge) 構成物質的基本單元，就像一個(ge) 微觀世界的 “能量調控站”。它內(nei) 部存在著不同的能量等級，就好比一棟有多個(ge) 樓層的大廈，每個(ge) 樓層代表一個(ge) 特定的能量狀態。當原子從(cong) 高能量樓層 “跌落” 到低能量樓層時，會(hui) 釋放出一份特定能量的光，這就是自發輻射，類似於(yu) 從(cong) 高處掉落的小球釋放能量。而當一個(ge) 光子 “闖入” 原子世界，被處於(yu) 低能量狀態的原子吸收後，原子就會(hui) “跳躍” 到更高的能量樓層，這一過程稱為(wei) 受激吸收。更奇妙的是，處於(yu) 高能量狀態的原子在特定條件下，會(hui) 受到外來光子的 “刺激”，不僅(jin) 會(hui) 回到低能量狀態，還會(hui) 釋放出與(yu) 外來光子一模一樣的光子，這就是受激輻射。

想象一下，在一個(ge) 充滿鏡子的房間裏，有一個(ge) 小球不斷地反彈，每反彈一次就複製出一個(ge) 相同的小球。當我們(men) 創造合適的條件（產(chan) 生激光三要素），比如引入能提供能量的 “增益介質”(gain medium)、讓光子來回反射的 “共振腔”(resonator)，以及提供初始動力的 “激發來源”(pumping source)，受激輻射產(chan) 生的光子數量就會(hui) 不斷放大，最終形成強大且高度集中的激光束。

一台完整的激光器，就像一個(ge) 精密協作的 “光生產(chan) 車間”，由三個(ge) 關(guan) 鍵部分組成：

1.激勵係統：它是整個(ge) 係統的 “動力源”，通過光照、通電或者化學反應等方式，為(wei) 增益介質中的原子提供能量，促使原子達到高能狀態，就像給汽車加油讓它能夠啟動。

2.激光物質：也就是增益介質，是產(chan) 生激光的 “核心工廠”。不同的激光物質能產(chan) 生不同特性的激光，比如氖氣能產(chan) 生特定波長的紅光，半導體(ti) 材料則可以根據設計產(chan) 生不同顏色、功率

3.光學諧振腔：光學諧振腔堪稱激光器的 “靈魂組件”，它由兩(liang) 麵特殊的鏡子構成。其中一麵鏡子幾乎能將所有照射過來的光子反射回去，就像一麵完美的鏡子，讓光子無法 “逃脫”；而另一麵鏡子則 “網開一麵”，允許一小部分光子穿透出去，這穿透的光子流，就是我們(men) 最終獲得的激光。

在這個(ge) “光子運動場” 裏，光子在兩(liang) 麵鏡子之間來回穿梭，每一次反射都會(hui) 經過增益介質，刺激更多的原子產(chan) 生受激輻射，生成大量相同的光子。這個(ge) 過程就像滾雪球一樣，光子數量不斷增加，而且在兩(liang) 麵鏡子的約束下，隻有沿著特定方向的光子能夠持續反射、放大，最終形成方向高度一致、顏色純淨的激光束。可以說，光學諧振腔不僅(jin) 決(jue) 定了激光的強度，還精確篩選出了激光的方向和波長，讓激光擁有了獨特的 “個(ge) 性”。

技術突破：從(cong) 微波激射器到第一束激光

1954 年，美國物理學家查爾斯・湯斯（Charles Hard Townes）取得重大突破。他帶領團隊利用氨氣作為(wei) 工作物質，製造出世界上第一台微波激射器（MASER）。湯斯創造性地將分子束技術與(yu) 諧振腔結合，實現了微波頻段的受激輻射放大。這一成果不僅(jin) 驗證了受激輻射理論的可行性，更為(wei) 後續激光技術發展奠定了堅實基礎。

湯斯的同事阿瑟・肖洛（Arthur Schawlow）在激光理論方麵同樣貢獻卓著。1958 年，他與(yu) 湯斯合作發表論文，提出將微波激射器原理拓展到光頻段的設想，並設計出開放式光學諧振腔結構，這種結構後來成為(wei) 激光器的標準配置。肖洛的理論工作，讓眾(zhong) 多科學家看到了製造 "光學激射器" 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(xie) 下 "LASER"這個(ge) 縮寫(xie) 詞，並詳細記錄了激光的設計方案和潛在應用。他設想用強閃光燈泵浦紅寶石，實現粒子數反轉。這本帶有公證印章的筆記本，後來成為(wei) 他爭(zheng) 奪激光發明權的重要依據。

曆史性時刻：邁曼與(yu) 第一台紅寶石激光器

1960 年 5 月 16 日，休斯研究實驗室的西奧多・邁曼（Theodore H. Maiman）成功製造出世界上第一台激光器。他選用合成紅寶石作為(wei) 工作物質，這種材料此前因熒光效率低不被看好，但邁曼發現，通過精確控製閃光燈的泵浦強度和脈衝(chong) 寬度，能有效實現粒子數反轉。

Maiman和他的紅寶石激光器

邁曼的實驗裝置由一根螺旋形閃光燈和中間的紅寶石棒組成，兩(liang) 端鍍有反射膜構成諧振腔。當他啟動設備，一道波長 694.3 納米的深紅色激光束射出，持續時間僅(jin) 幾毫秒。這看似短暫的閃光，卻標誌著人類首次實現了光頻段的受激輻射放大。

在美國做出激光器後一年，也就是1961年秋，長春光機所的年輕科研人員王之江就在老師——王大珩院士指導下於(yu) 1961年做出了中國第一台激光器。1964年10月，中國科學院長春光機所主辦的《光受激發射情報》（其前身為(wei) 《光量子放大專(zhuan) 刊》）雜誌編輯部致信錢學森，請他為(wei) LASER取一個(ge) 中文名字，錢學森建議中文名為(wei) “激光”。同年12月，上海召開第三屆光量子放大器學術會(hui) 議，由嚴(yan) 濟慈主持，討論後正式采納錢學森的建議，將“通過輻射受激發射的光放大”的英文縮寫(xie) LASER正式翻譯為(wei) “激光”。隨後，《光受激發射情報》雜誌也改名為(wei) 《激光情報》。

中國光學之父——王大珩院士

fun88官网平台之父——王之江

我國第一台紅寶石激光器

技術爆發：從(cong) 實驗室到產(chan) 業(ye) 化

1961 年，首批商用激光器開始推向市場，但早期設備存在體(ti) 積龐大、價(jia) 格昂貴等問題。一台紅寶石激光器售價(jia) 高達10萬(wan) 美元（相當於(yu) 今天的 100 萬(wan) 美元），且需要專(zhuan) 業(ye) 技術人員操作，限製了其應用範圍。

1962 年是激光技術發展的重要節點：貝爾實驗室研製出釔鋁石榴石（YAG）激光器，這種固體(ti) 激光器性能更穩定；同年，尼克·霍洛尼亞(ya) 克（Nick Holonyak Jr.） 發明紅色激光二極管，為(wei) 後來的光存儲(chu) 和光纖通信奠定基礎。這些突破推動激光技術向小型化、實用化方向發展。

1970 年代，隨著半導體(ti) 技術進步，激光開始進入民用領域。1977 年，貝爾實驗室完成首個(ge) 光纖通信係統商業(ye) 安裝；1982 年，音頻 CD 問世，激光首次應用於(yu) 大眾(zhong) 消費產(chan) 品。到 1990 年代，光纖通信網絡已覆蓋全球，激光徹底改變了人類的信息傳(chuan) 輸方式。

應用拓展：重塑世界的神奇之光

1、激光核聚變：追逐 “人造太陽” 的熾熱夢想

激光核聚變旨在模擬太陽內(nei) 部的核聚變過程，利用高功率激光瞬間壓縮燃料靶丸，引發核聚變反應釋放巨大能量 。美國國家點火裝置（NIF）堪稱激光核聚變領域的 “巨無霸”。 2022 年 12 月，NIF 團隊取得重大突破，首次實現核聚變反應的 “淨能量增益”，即產(chan) 生的能量超過了輸入激光的能量 。這一成果由物理學家馬克・赫爾曼（Mark Herrmann）領導的團隊完成，此次成功標誌著人類向實現可控核聚變能源邁出關(guan) 鍵一步，也讓 “人造太陽” 不再是遙不可及的夢想。

美國國家點火裝置（NIF）

2、激光醫療：生命科學的 “溫柔手術刀”

醫療領域的激光應用同樣令人矚目。眼科手術中，德國醫生塞巴斯蒂安・席姆施（Sebastian Seimsch）是飛秒激光近視手術技術的重要推動者之一。飛秒激光能以 500 萬(wan) 億(yi) 分之一秒的速度切削角膜，幫助數百萬(wan) 近視患者重獲清晰視力。在腫瘤治療方麵，激光光動力療法（PDT）為(wei) 癌症患者帶來新希望。美國科學家托馬斯・道格迪爾（Thomas Dougherty）是該療法的先驅，他發現特定的光敏劑在激光照射下會(hui) 產(chan) 生活性氧，從(cong) 而破壞腫瘤細胞。

3、激光加工：微觀世界的 “精雕細琢”

在半導體(ti) 芯片製造中，極紫外（EUV）激光光刻技術是生產(chan) 7 納米及以下先進製程芯片的關(guan) 鍵。阿斯麥（ASML）公司在光刻技術專(zhuan) 家彼得・本尼迪克特（Peter Benedict）帶領團隊不斷優(you) 化激光光源和光學係統，經過十多年努力，終於(yu) 實現了極紫外光刻機EUV 激光光刻技術的突破，讓芯片上的晶體(ti) 管尺寸不斷縮小，推動了半導體(ti) 產(chan) 業(ye) 的飛速發展。在航空航天領域，激光加工技術為(wei) 製造高精度零部件立下汗馬功勞。空客公司在製造 A350 客機的機翼結構件時，采用激光焊接技術替代傳(chuan) 統鉚接工藝。工程師團隊負責人麗(li) 莎・約翰遜（Lisa Johnson）帶領團隊研究激光焊接參數與(yu) 材料特性的匹配關(guan) 係，成功實現了無鉚釘的激光焊接，使機翼結構強度提升 20%，重量減輕 15%。

“現代工業(ye) 皇冠上的明珠”極紫外光刻機（EUV）

結語

在量子領域，激光正扮演核心角色。單光子激光器用於(yu) 量子通信，實現絕對安全的數據傳(chuan) 輸；激光冷卻技術助力量子計算機的量子比特製備。未來學家預測，激光驅動的核聚變反應堆有望在 2050 年前實現商業(ye) 化，徹底解決(jue) 能源問題。

從(cong) 愛因斯坦的理論預言，到邁曼的實驗突破；從(cong) 價(jia) 值百萬(wan) 美元的實驗室設備，到無處不在的消費電子產(chan) 品，激光技術的發展曆程堪稱一部波瀾壯闊的科技史詩。這道神奇之光，不僅(jin) 改變了人類的生產(chan) 生活方式，更在持續拓展著我們(men) 對物理世界的認知邊界。激光技術就像一把神奇的鑰匙，不斷開啟未知世界的大門。在科學家們(men) 的不懈努力下，那些看似科幻的場景正逐漸走向現實。未來，隨著量子光學、人工智能等前沿技術與(yu) 激光技術的深度融合，我們(men) 有理由相信，這道神奇之光將繼續創造奇跡，照亮人類探索宇宙、追尋真理、追求美好生活的漫漫征途，帶領我們(men) 走向更加璀璨的明天。正如激光先驅湯斯所說："我們(men) 才剛剛開始發掘光的潛力。" 在可預見的未來，激光必將繼續書(shu) 寫(xie) 屬於(yu) 它的傳(chuan) 奇篇章。（來源：SAIST上理格致青年，參考文獻略 作者：何楷樹、楊博申偉(wei) 、武益智，2023級格致創新班本科生）