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激光50年 激光器的輸出波長在光譜上不斷拓展
2011-10-27 9:49:13
《激光世界》網上新聞
激光50年 激光器的輸出波長在光譜上不斷拓展
早期，激光用戶可選擇的波長屈指可數。隨著新的激光發射波長、諧波產生、可調諧激光器和非線性波長轉換等国产传媒在线和技術的出現，現在激光用戶幾乎可以實現任何想要的波長。
jeff hecht
在汽車大規模生產的初期，亨利•福特說客戶隻能購買到黑色的汽車。在激光器問世後的最初幾年，尋求可見光激光器的用戶隻能獲得紅色的激光輸出。雖然不久之後人們就在實驗室中獲得了更多的激光輸出波長，但是商品化的很少，此後很多年激光用戶隻有較少的波長選擇。
激光器輸出波長的拓展已經走過了一條漫長的道路。現在，激光器輸出波長的覆蓋範圍已經從量子級聯激光器實現的太赫茲波段一直延伸到了自由電子激光器實現的x射線波段。新的激光器已經填補了光譜中的空白區，並且其中一些激光器是可調諧的。諧波產生、拉曼頻移和混頻技術，可以將激光輸出移至新的波長。非線性光學可以在一個波長範圍內拓展激光形成超連續譜。盡管人們還是不能獲得任何想要的波長，但是一些大型激光展上展示的新的輸出波長依然令人印象深刻，其中有許多激光波長都是在十年前無法實現的。
固定波長激光器
第一代激光器的輸出屬於已知能級之間的固定波長躍遷。梅曼發明的紅寶石激光器是激光器發展曆程中的一座裏程碑，這不僅是因為它是世界上第一台激光器，而且還因為其輸出的深紅色激光輸出很容易被肉眼觀察到，這使得用它做實驗非常容易。第一台氦氖（he-ne）激光器的輸出波長為近紅外波段的1153nm，但直到1962年貝爾實驗室的alan white和dane rigden開發出632.8nm的紅光he-ne激光器（見圖1），he-ne激光器才獲得了廣泛應用。輸出可見紅光的氦氖激光器在科研和測量領域中成為了標準激光器，其應用範圍從全息應用到下水道水管的調整等應用。
圖1：貝爾實驗室的第一台紅光氦氖激光器產生的驚人高階模圖像。
隨後，又有其他固定波長的激光器問世，覆蓋的波長從從紅外到紫外區域，但是這些国产传媒在线很少被廣泛使用。釹（nd）激光器成為了1.06µm的標準近紅外光源，而co2激光器則成為了10.6µm的標準光源。氬離子、氪離子和氦鎘激光器提供比氦氖激光器功率更高、波長更短的可見光輸出，但是這些国产传媒在线的價格更高、效率更低。輸出波長為337nm的氮分子激光器成為標準的紫外激光器，直至20世紀70年代末才被稀有氣體鹵素激光器所取代。
固定波長激光器能夠達到產生非線性效應並改變激光波長的高強度。1961年，密歇根大學的peter franken用紅寶石激光照射石英晶體，第一次產生了紅寶石的347nm二次諧波。[1]1962年，休斯研究實驗室的gisela eckhardt和同事用紅寶石脈衝照射硝基苯和其他液體時，觀察到了受激拉曼散射。[2]更短的脈衝和更高的峰值功率產生了更多引人注目的效應。1970年，gte實驗室的robert alfano和sidney shapiro報道了非線性效應混合產生了寬帶超連續譜，他們觀察到從400～700nm的可見光譜跨度。[3]
可調諧激光器
首次激光器調諧是通過磁場來移動能級，從而移動固定波長激光器的波長來實現的。此後，貝爾實驗室的joe giordmaine和robert c. miller演示了铌酸鋰中的光參量振蕩。[4]但是，要實現較寬的可調諧激光輸出，還要有機染料激光器的出現。
圖2：麻省理工學院林肯實驗室的peter moulton利用氬離子激光泵浦鈦寶石。
1966年，ibm華生研究中心的peter sorokin和john lankard發現了染料激光器，他們將紅寶石脈衝照射到氯鋁酞菁染料溶液中時看到了較強的光發射。在染料盒旁邊放置一對反射鏡，產生的輻射太強以至於燒壞了膜上的乳膠。[5]1967年，休斯研究實驗室的bernard soffer和b.b. mcfarland邁出了製造可調諧染料激光器的下一步，用一個衍射光柵替代一麵腔鏡，這樣可以選擇哪個波長在腔內振蕩。[6]1970年，柯達公司的benjamin snavely研究小組使用氬離子激光器泵浦，實現了第一台連續輸出的染料激光器。[7]
與傳統的單色儀相比，可調諧染料激光器可以在一個窄光譜波段內提供高得多的功率，成為了強有力的研究工具。可調諧染料激光器使20世紀70年代產生了一係列光譜上得突破，包括1981年arthur schawlow獲得諾貝爾物理學獎的工作。染料激光器仍然是具有許多實際缺點的複雜設備，包括染料壽命和光譜範圍有限。
固態振動激光器是可調諧激光器發展中的另一大進展，其中發光離子同時改變振動和電子能級。麻省理工學院（mit）林肯實驗室的peter moulton發明的鈦寶石激光器，基本調諧範圍為675～1100nm，遠遠超過任何染料激光器（見圖2）。[8]鈦寶石激光也可以倍頻到較短的波長。
圖3：具有激光手術所需的直接帶隙的iii - v族化合物的半導體二極管激光器的波長與晶格間距之間的關係。
energy bandgap(ev)：能量帶隙（電子伏特）
lattice constant(nm)：晶格常數（nm）
blue：藍光
visible light：可見光
red：紅光
半導體二極管激光器的增益帶寬無法比擬鈦寶石激光器，但可在諧振腔中實現可調諧。加州大學聖巴巴拉分校（ucsb）的larry coldren發明了取樣光柵分布式布拉格反射激光器，其中一對具有不同周期的分布式布拉格反射鏡作為腔鏡。[9]電流或溫度變化可改變光柵的共振，從而調諧激光。光纖傳輸器中的軟件，可以將可調諧激光器的輸出設定在一個固定的波長。
半導體激光器波長調節
半導體激光器的輸出波長取決於發射層中材料的帶隙。早期，半導體二極管激光器中的帶隙由二元iii–v族化合物的性質決定，隨後技術上的進步使得通過調節半導體的組分和結構來調節波長成為可能。
首先是發展三元化合物，如镓鋁砷（gaalas），它能夠與砷化镓（gaas）襯底晶格匹配，當鋁的成分增加時，發射波長藍移。然而，gaalas並不能夠與gaas的晶格非常好地匹配，因此最關鍵的一步是四元化合物，如ingaasp，這提供了匹配晶格間距以及所需波長的第二個自由度。mit林肯實驗室的j. jim hsieh實現了這一步，1977年他報道了室溫下運行的ingaasp激光器輸出1.25µm的激光。[10]隨後不久，也是在inp襯底上，成分略有不同的ingaasp激光器問世，應用於1.3µm和1.55µm的低損耗光纖窗口。通過調整四種元素的組分，ingaasp激光器的輸出波長覆蓋了一個重要的波長範圍（見圖3）。
通過優化gaas襯底激光器的發射材料組分，可將其輸出波長拓展到紅光範圍，例如使用algainp可使輸出波長短至620nm。此後，1996年日亞公司（nichia）的shuji nakamura發明了氮化銦镓（gainn）半導體激光器，激光跨入了光譜的藍光波段。[11]藍光半導體激光器目前屬於標準国产传媒在线，但綠光半導體激光器仍然很難實現。在今年1月份的photonics west 2010會議上，startup kaai公司的nakamura報道已經開發出了523nm的ingan半導體激光器，填補了在半導體激光器在輸出光譜中的空缺。
光泵浦使半導體激光器能夠實現其他輸出波長，同時避免了需要高電流密度通過半導體。這擺脫了設計上的約束，因此量子阱結構能夠實現其他激光器無法得到的波長。泵浦二極管照射薄半導體碟片的表麵，該碟片的表麵附近具有量子阱層，量子阱在外腔中共振並發光，產生高強度、高質量的光束。這些裝置被稱為opsl（光泵浦半導體激光器）或vecsel（垂直外腔表麵發射激光器），基本輸出在近紅外，可在激光腔內倍頻成可見光。其設計可與特定波長匹配，如氦鎘激光器的441nm激光，或治療糖尿病視網膜病的557nm黃光。
另一種新穎的結構是1994年由貝爾實驗室的federico capasso發明的量子級聯激光器，這種激光器中的電子在一個偏置的半導體中通過量子阱堆疊。[12]在每個量子阱中，電子落到導帶中更低的次能級，並發射一個光子，這個光子的波長取決於激光器的結構和組成。量子級聯激光器提供了獲得中、遠紅外波段難以實現的激光波長的方便途徑，還可用於產生太赫茲頻率。
其他激光源和展望
今天的激光光源目錄提供了豐富的波長，這在激光時代的前幾個十年中是很難想像的。此外，非線性光學提供了產生新的波長的強大工具。高功率飛秒脈衝的高次諧波產生，可以產生極紫外波段的相幹光。非線性過程可以產生一個倍頻程或更寬的超連續譜，以及飛秒頻率梳，這是一項獲得諾貝爾獎的創新，能夠以驚人的精度測量光頻。
現在，国产av资源甚至可以在20世紀70年代john madey發明的自由電子激光器（fel）中產生自由電子的受激輻射。fel原理適用於從紅外線到x射線範疇。今天，slac相幹光源提供波長0.15～1.5nm的相幹x射線。
激光器的輸出波長已經走過了漫長的道路，国产av资源現在有極為豐富的激光工具，用於各式各樣的應用場合。當然，在接下來的半個世紀，国产av资源在拓展激光器輸出波長方麵仍然麵臨著諸多挑戰。
參考文獻
1. p.a. franken et al, "generation of optical harmonics," phys. rev. lett. 7, p. 118 (aug. 15, 1961).
2. g. eckhardt et al, "stimulated raman scattering from organic liquids," phys. rev. lett. 9, p. 455 (dec. 1, 1962).
3. r.r. alfano and s.l. shapiro, phys. rev. lett. 24, p. 584 and 592 (mar. 16, 1970) r.r. alfano and s.l. shapiro, phys. rev. lett. 24, pp. 1217–1220 (june 1, 1970).
4. j.a. giordmaine and r.c. miller, "optical parametric oscillation in the visible spectrum," appl. phys. lett. 9, pp. 298–300 (1966).
5. p.p. sorokin and j.r. lankard, ibm journal of research and development 10, p. 162 (1966).
6. b.h. soffer and b.b. mcfarland, "continuously tunable narrow-band organic dye lasers," appl. phys. lett. 10, p. 266 (1967).
7. o.g. peterson et al., "cw operation of an organic dye solution laser," appl. phys. lett. 17, 6, p. 245 (1970).
8. p.f. moulton, "spectroscopic and laser characteristics of ti:al2o3," josa b 3, pp. 125–133 (january 1986).
9. s. lee et al, "integration of semiconductor laser amplifiers with sampled grating tunable lasers for wdm applications," ieee quantum electron. 33, pp. 615–627 (1997).
10. j.h. hsieh and c.c. shen, "room-temperature cw operation of buried-stripe double-heterostructure gainasp/inp diode lasers," appl. phys. lett. 30, p. 429 (apr. 15, 1977).
11. s. nakamura et al., "ingan-based multi-quantum-well-structure laser diodes," japan j. appl. phys. 2, 35(1b):l74-1 (1996).
12. j. faist et al., "quantum cascade laser," science 264 (5158), pp. 553–556 (april 1994).
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梅曼的成就
2010年5月16日是世界上第一台激光器在梅曼的實驗室中誕生50周年紀念日。梅曼發明的紅寶石激光器不但在實驗上實現了之前的設想，而且還為激光技術的發展完全打開了新的大門。
早前的概念將激光器設想為一個連續的光學振蕩器，具有低增益和相對中等的功率。具有優勢的候選方案是四能級係統，激光躍遷產生於初始激發態和最終基態之間的一對能級。到1960年底，人們分別在固體（摻鈾氟化鈣）和氣體（氦氖）中實現了四能級激光器係統。
梅曼的紅寶石激光器是三能級係統，光激發鉻原子到高能級，隨後鉻原子躍遷到亞穩態，最後躍遷到基態，並產生受激輻射。傳統觀念認為紅寶石不會產生受激輻射，因為其熒光效率低，並且很難實現粒子數反轉。但是當梅曼獨立測試紅寶石時，卻發現它的熒光效率其實非常高，這讓梅曼看到了激光器的誕生希望。
隨後，梅曼運用工程創造力巧妙地設計出了一台脈衝泵浦的紅寶石激光器，泵浦燈是一個攝影用的閃光燈，其在短時間內將大多數鉻原子激發脫離基態，產生了所需要的粒子數反轉。當閃光燈的脈衝功率超過激光閾值時，梅曼觀察到了人們之前預測的在激光振蕩中會出現的紅寶石發射譜線變窄的現象。
此外，梅曼還觀察到了人們未曾預測到的現象：當閃光燈在小紅寶石棒中反轉粒子數時，在短暫間隔期間高增益的激光器產生了明亮的脈衝。而且，梅曼的激光器很容易製造，在幾周內trg inc.公司、貝爾實驗室等公司和研究機構就運行起了他們自己的紅寶石激光器，並用吉列刀片測量脈衝功率——即激光能夠穿透的刀片的數量。
現在看來，梅曼的發明可能再明顯不過了，但那就是他天才的標誌。像所有的發明家一樣，他延伸了早期的工作，包括他自己開發的一個緊湊的紅寶石微波激射器。他的成功建立在對紅寶石和微波激射器的深刻理解的基礎之上，同時其擁有的工程技能又使得他的紅寶石激光器看起來非常簡單。梅曼的貢獻在於為激光器的發展指明了道路，讓後來人與其一起推動激光器的發展。
jeff hecht
在汽車大規模生產的初期，亨利•福特說客戶隻能購買到黑色的汽車。在激光器問世後的最初幾年，尋求可見光激光器的用戶隻能獲得紅色的激光輸出。雖然不久之後人們就在實驗室中獲得了更多的激光輸出波長，但是商品化的很少，此後很多年激光用戶隻有較少的波長選擇。
激光器輸出波長的拓展已經走過了一條漫長的道路。現在，激光器輸出波長的覆蓋範圍已經從量子級聯激光器實現的太赫茲波段一直延伸到了自由電子激光器實現的x射線波段。新的激光器已經填補了光譜中的空白區，並且其中一些激光器是可調諧的。諧波產生、拉曼頻移和混頻技術，可以將激光輸出移至新的波長。非線性光學可以在一個波長範圍內拓展激光形成超連續譜。盡管人們還是不能獲得任何想要的波長，但是一些大型激光展上展示的新的輸出波長依然令人印象深刻，其中有許多激光波長都是在十年前無法實現的。
固定波長激光器
第一代激光器的輸出屬於已知能級之間的固定波長躍遷。梅曼發明的紅寶石激光器是激光器發展曆程中的一座裏程碑，這不僅是因為它是世界上第一台激光器，而且還因為其輸出的深紅色激光輸出很容易被肉眼觀察到，這使得用它做實驗非常容易。第一台氦氖（he-ne）激光器的輸出波長為近紅外波段的1153nm，但直到1962年貝爾實驗室的alan white和dane rigden開發出632.8nm的紅光he-ne激光器（見圖1），he-ne激光器才獲得了廣泛應用。輸出可見紅光的氦氖激光器在科研和測量領域中成為了標準激光器，其應用範圍從全息應用到下水道水管的調整等應用。
圖1：貝爾實驗室的第一台紅光氦氖激光器產生的驚人高階模圖像。
隨後，又有其他固定波長的激光器問世，覆蓋的波長從從紅外到紫外區域，但是這些国产传媒在线很少被廣泛使用。釹（nd）激光器成為了1.06µm的標準近紅外光源，而co2激光器則成為了10.6µm的標準光源。氬離子、氪離子和氦鎘激光器提供比氦氖激光器功率更高、波長更短的可見光輸出，但是這些国产传媒在线的價格更高、效率更低。輸出波長為337nm的氮分子激光器成為標準的紫外激光器，直至20世紀70年代末才被稀有氣體鹵素激光器所取代。
固定波長激光器能夠達到產生非線性效應並改變激光波長的高強度。1961年，密歇根大學的peter franken用紅寶石激光照射石英晶體，第一次產生了紅寶石的347nm二次諧波。[1]1962年，休斯研究實驗室的gisela eckhardt和同事用紅寶石脈衝照射硝基苯和其他液體時，觀察到了受激拉曼散射。[2]更短的脈衝和更高的峰值功率產生了更多引人注目的效應。1970年，gte實驗室的robert alfano和sidney shapiro報道了非線性效應混合產生了寬帶超連續譜，他們觀察到從400～700nm的可見光譜跨度。[3]
可調諧激光器
首次激光器調諧是通過磁場來移動能級，從而移動固定波長激光器的波長來實現的。此後，貝爾實驗室的joe giordmaine和robert c. miller演示了铌酸鋰中的光參量振蕩。[4]但是，要實現較寬的可調諧激光輸出，還要有機染料激光器的出現。
圖2：麻省理工學院林肯實驗室的peter moulton利用氬離子激光泵浦鈦寶石。
1966年，ibm華生研究中心的peter sorokin和john lankard發現了染料激光器，他們將紅寶石脈衝照射到氯鋁酞菁染料溶液中時看到了較強的光發射。在染料盒旁邊放置一對反射鏡，產生的輻射太強以至於燒壞了膜上的乳膠。[5]1967年，休斯研究實驗室的bernard soffer和b.b. mcfarland邁出了製造可調諧染料激光器的下一步，用一個衍射光柵替代一麵腔鏡，這樣可以選擇哪個波長在腔內振蕩。[6]1970年，柯達公司的benjamin snavely研究小組使用氬離子激光器泵浦，實現了第一台連續輸出的染料激光器。[7]
與傳統的單色儀相比，可調諧染料激光器可以在一個窄光譜波段內提供高得多的功率，成為了強有力的研究工具。可調諧染料激光器使20世紀70年代產生了一係列光譜上得突破，包括1981年arthur schawlow獲得諾貝爾物理學獎的工作。染料激光器仍然是具有許多實際缺點的複雜設備，包括染料壽命和光譜範圍有限。
固態振動激光器是可調諧激光器發展中的另一大進展，其中發光離子同時改變振動和電子能級。麻省理工學院（mit）林肯實驗室的peter moulton發明的鈦寶石激光器，基本調諧範圍為675～1100nm，遠遠超過任何染料激光器（見圖2）。[8]鈦寶石激光也可以倍頻到較短的波長。
圖3：具有激光手術所需的直接帶隙的iii - v族化合物的半導體二極管激光器的波長與晶格間距之間的關係。
energy bandgap(ev)：能量帶隙（電子伏特）
lattice constant(nm)：晶格常數（nm）
blue：藍光
visible light：可見光
red：紅光
半導體二極管激光器的增益帶寬無法比擬鈦寶石激光器，但可在諧振腔中實現可調諧。加州大學聖巴巴拉分校（ucsb）的larry coldren發明了取樣光柵分布式布拉格反射激光器，其中一對具有不同周期的分布式布拉格反射鏡作為腔鏡。[9]電流或溫度變化可改變光柵的共振，從而調諧激光。光纖傳輸器中的軟件，可以將可調諧激光器的輸出設定在一個固定的波長。
半導體激光器波長調節
半導體激光器的輸出波長取決於發射層中材料的帶隙。早期，半導體二極管激光器中的帶隙由二元iii–v族化合物的性質決定，隨後技術上的進步使得通過調節半導體的組分和結構來調節波長成為可能。
首先是發展三元化合物，如镓鋁砷（gaalas），它能夠與砷化镓（gaas）襯底晶格匹配，當鋁的成分增加時，發射波長藍移。然而，gaalas並不能夠與gaas的晶格非常好地匹配，因此最關鍵的一步是四元化合物，如ingaasp，這提供了匹配晶格間距以及所需波長的第二個自由度。mit林肯實驗室的j. jim hsieh實現了這一步，1977年他報道了室溫下運行的ingaasp激光器輸出1.25µm的激光。[10]隨後不久，也是在inp襯底上，成分略有不同的ingaasp激光器問世，應用於1.3µm和1.55µm的低損耗光纖窗口。通過調整四種元素的組分，ingaasp激光器的輸出波長覆蓋了一個重要的波長範圍（見圖3）。
通過優化gaas襯底激光器的發射材料組分，可將其輸出波長拓展到紅光範圍，例如使用algainp可使輸出波長短至620nm。此後，1996年日亞公司（nichia）的shuji nakamura發明了氮化銦镓（gainn）半導體激光器，激光跨入了光譜的藍光波段。[11]藍光半導體激光器目前屬於標準国产传媒在线，但綠光半導體激光器仍然很難實現。在今年1月份的photonics west 2010會議上，startup kaai公司的nakamura報道已經開發出了523nm的ingan半導體激光器，填補了在半導體激光器在輸出光譜中的空缺。
光泵浦使半導體激光器能夠實現其他輸出波長，同時避免了需要高電流密度通過半導體。這擺脫了設計上的約束，因此量子阱結構能夠實現其他激光器無法得到的波長。泵浦二極管照射薄半導體碟片的表麵，該碟片的表麵附近具有量子阱層，量子阱在外腔中共振並發光，產生高強度、高質量的光束。這些裝置被稱為opsl（光泵浦半導體激光器）或vecsel（垂直外腔表麵發射激光器），基本輸出在近紅外，可在激光腔內倍頻成可見光。其設計可與特定波長匹配，如氦鎘激光器的441nm激光，或治療糖尿病視網膜病的557nm黃光。
另一種新穎的結構是1994年由貝爾實驗室的federico capasso發明的量子級聯激光器，這種激光器中的電子在一個偏置的半導體中通過量子阱堆疊。[12]在每個量子阱中，電子落到導帶中更低的次能級，並發射一個光子，這個光子的波長取決於激光器的結構和組成。量子級聯激光器提供了獲得中、遠紅外波段難以實現的激光波長的方便途徑，還可用於產生太赫茲頻率。
其他激光源和展望
今天的激光光源目錄提供了豐富的波長，這在激光時代的前幾個十年中是很難想像的。此外，非線性光學提供了產生新的波長的強大工具。高功率飛秒脈衝的高次諧波產生，可以產生極紫外波段的相幹光。非線性過程可以產生一個倍頻程或更寬的超連續譜，以及飛秒頻率梳，這是一項獲得諾貝爾獎的創新，能夠以驚人的精度測量光頻。
現在，国产av资源甚至可以在20世紀70年代john madey發明的自由電子激光器（fel）中產生自由電子的受激輻射。fel原理適用於從紅外線到x射線範疇。今天，slac相幹光源提供波長0.15～1.5nm的相幹x射線。
激光器的輸出波長已經走過了漫長的道路，国产av资源現在有極為豐富的激光工具，用於各式各樣的應用場合。當然，在接下來的半個世紀，国产av资源在拓展激光器輸出波長方麵仍然麵臨著諸多挑戰。
參考文獻
1. p.a. franken et al, "generation of optical harmonics," phys. rev. lett. 7, p. 118 (aug. 15, 1961).
2. g. eckhardt et al, "stimulated raman scattering from organic liquids," phys. rev. lett. 9, p. 455 (dec. 1, 1962).
3. r.r. alfano and s.l. shapiro, phys. rev. lett. 24, p. 584 and 592 (mar. 16, 1970) r.r. alfano and s.l. shapiro, phys. rev. lett. 24, pp. 1217–1220 (june 1, 1970).
4. j.a. giordmaine and r.c. miller, "optical parametric oscillation in the visible spectrum," appl. phys. lett. 9, pp. 298–300 (1966).
5. p.p. sorokin and j.r. lankard, ibm journal of research and development 10, p. 162 (1966).
6. b.h. soffer and b.b. mcfarland, "continuously tunable narrow-band organic dye lasers," appl. phys. lett. 10, p. 266 (1967).
7. o.g. peterson et al., "cw operation of an organic dye solution laser," appl. phys. lett. 17, 6, p. 245 (1970).
8. p.f. moulton, "spectroscopic and laser characteristics of ti:al2o3," josa b 3, pp. 125–133 (january 1986).
9. s. lee et al, "integration of semiconductor laser amplifiers with sampled grating tunable lasers for wdm applications," ieee quantum electron. 33, pp. 615–627 (1997).
10. j.h. hsieh and c.c. shen, "room-temperature cw operation of buried-stripe double-heterostructure gainasp/inp diode lasers," appl. phys. lett. 30, p. 429 (apr. 15, 1977).
11. s. nakamura et al., "ingan-based multi-quantum-well-structure laser diodes," japan j. appl. phys. 2, 35(1b):l74-1 (1996).
12. j. faist et al., "quantum cascade laser," science 264 (5158), pp. 553–556 (april 1994).
________________________________________
梅曼的成就
2010年5月16日是世界上第一台激光器在梅曼的實驗室中誕生50周年紀念日。梅曼發明的紅寶石激光器不但在實驗上實現了之前的設想，而且還為激光技術的發展完全打開了新的大門。
早前的概念將激光器設想為一個連續的光學振蕩器，具有低增益和相對中等的功率。具有優勢的候選方案是四能級係統，激光躍遷產生於初始激發態和最終基態之間的一對能級。到1960年底，人們分別在固體（摻鈾氟化鈣）和氣體（氦氖）中實現了四能級激光器係統。
梅曼的紅寶石激光器是三能級係統，光激發鉻原子到高能級，隨後鉻原子躍遷到亞穩態，最後躍遷到基態，並產生受激輻射。傳統觀念認為紅寶石不會產生受激輻射，因為其熒光效率低，並且很難實現粒子數反轉。但是當梅曼獨立測試紅寶石時，卻發現它的熒光效率其實非常高，這讓梅曼看到了激光器的誕生希望。
隨後，梅曼運用工程創造力巧妙地設計出了一台脈衝泵浦的紅寶石激光器，泵浦燈是一個攝影用的閃光燈，其在短時間內將大多數鉻原子激發脫離基態，產生了所需要的粒子數反轉。當閃光燈的脈衝功率超過激光閾值時，梅曼觀察到了人們之前預測的在激光振蕩中會出現的紅寶石發射譜線變窄的現象。
此外，梅曼還觀察到了人們未曾預測到的現象：當閃光燈在小紅寶石棒中反轉粒子數時，在短暫間隔期間高增益的激光器產生了明亮的脈衝。而且，梅曼的激光器很容易製造，在幾周內trg inc.公司、貝爾實驗室等公司和研究機構就運行起了他們自己的紅寶石激光器，並用吉列刀片測量脈衝功率——即激光能夠穿透的刀片的數量。
現在看來，梅曼的發明可能再明顯不過了，但那就是他天才的標誌。像所有的發明家一樣，他延伸了早期的工作，包括他自己開發的一個緊湊的紅寶石微波激射器。他的成功建立在對紅寶石和微波激射器的深刻理解的基礎之上，同時其擁有的工程技能又使得他的紅寶石激光器看起來非常簡單。梅曼的貢獻在於為激光器的發展指明了道路，讓後來人與其一起推動激光器的發展。
