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激光技术

浏览数量:20     作者:本站编辑     发布时间: 2018-05-29      来源:本站

  I.INTRODUCTION

  光一直在物理,化学和生物学的研究中发挥着核心作用。光是宇宙进化和地球生命进化的关键。本世纪,在我们的小星球上发现了一种新的光,激光形式,它已经促进了全球信息转型,并为医学,工业材料加工,数据存储,印刷和防御提供了重要贡献。本综述将追溯导致激光器发明的科学技术发展,并举例说明激光器如何促进技术应用和基础科学的进步。还有许多其他优秀资源涵盖了激光和激光技术的各个方面,包括激光25周年(Ausu-bell和Langford,1987)和教科书(如Siegman,1986; Agrawal和Dutta,1993;以及准备好了,1997)。

通过激发材料的电子,振动,旋转或协作模式到非平衡状态来实现通过受激辐射(LASER)的光放大,使得通过系统传播的光子通过受激发射相干地放大。可以通过使用光辐射,电流和放电或化学反应来实现该光学增益介质的激发。放大介质放置在光学谐振器结构中,例如在法布里珀罗干涉仪配置中的两个高反射镜之间。当空腔谐振器的光学模式的光子数增益超过空腔损耗以及非辐射和吸收过程的损耗时,模式的相干态幅度增加到模式中平均光子数更大的水平。不止一个。在高于该阈值条件的泵水平下,系统发出激光并且受激发射主导自发发射。激光束通常通过部分透射镜耦合出谐振器。激光辐射的非常有用的特性包括空间相干性,窄光谱发射,高功率和明确定义的空间模式,使得光束可以聚焦到衍射极限光斑尺寸以实现非常高的强度。在许多需要低功率输入和最少发热的应用中,激光产生的高效率是重要的。

  当使用光子计数技术检测相干态激光束时,光子计数在时间上的分布是泊松的。例如,来自检测激光场的高效光电倍增管的音频输出在稳定的倾盆大雨中听起来像雨。这种激光噪声可以在特殊情况下进行修改,例如通过二极管激光器的恒定电流泵浦来获得压缩数状态,其中检测到的光子听起来更像机枪而不是雨。

如果增益介质不在谐振腔中,则实现光学放大器。光放大器可以实现非常高的增益和低噪声。实际上,对于相位不敏感的线性放大器,它们目前具有在3dB量子噪声极限的几dB内的噪声系数,即,它们对输入信号的噪声功率的增加仅略多于2倍。光学参量放大器(OPA),其中通过泵场与信号模式的非线性耦合实现信号增益,可以配置为向输入信号添加小于3dB的噪声。在OPA中,添加到输入信号的噪声可以由泵浦噪声支配,并且与泵浦场的大振幅相比,由激光泵浦光束贡献的噪声可以忽略不计。

  II.HISTORY

  爱因斯坦(1917)提供了激光,受激发射的第一个基本思想。为什么本世纪早期没有发明激光?许多关于受激发射的早期工作集中在接近平衡的系统上,而激光是一种高度非平衡系统。回想起在1925年至1940年的激烈光谱研究期间,可以很容易地使用气体放电来构思和演示激光。然而,在第二次世界大战期间开发的微波技术为激光概念创造了氛围。 Charles Townes和他在哥伦比亚的小组根据他们在微波技术方面的背景以及他们对高分辨率微波光谱的兴趣,构思了激光器(通过受激发射辐射进行微波放大)的想法。在莫斯科(Basov和Prokhorov,1954)和马里兰大学(Weber,1953)发展了类似的maser观点。哥伦比亚大学(Gordon et al。,1954,1955)的第一个实验证明的微波激射器基于氨分子束。 Bloembergen在三级系统中获得的想法导致了红宝石系统中第一个实用的激光放大器。这些装置的噪声系数非常接近量子极限,Penzias和Wilson在发现宇宙背景辐射时使用了这些装置。

  Townes确信maser概念可以扩展到光学区域(Townes,1995)。激光的想法诞生了(Schawlow and Townes,1958),当时他与Arthur Schawlow讨论了这个想法,Arthur Schawlow认为Fabry-Perot干涉仪的谐振腔模式可以减少与增益材料相互作用的模式数量为个人模式实现高增益。第一个激光器由休斯研究实验室的Ted Maiman在闪光灯泵浦的红宝石晶体中进行了演示(Maiman,1960)。在脉冲晶体激光器演示后不久,贝尔实验室(Javan et al。,1961)演示了连续波(CW)He:Ne气体放电激光器,首先是1.13μm,后来是红色632.8 nm。波长激光跃迁。关于激光诞生的优秀文章发表在今日物理学杂志(Bromberg,1988)的特刊上。

激光和激光引发了量子电子领域,涵盖了物理学和电气工程学科。对于主要以光子方面思考的物理学家来说,如果没有电气工程界熟悉的相干波概念,一些激光概念很难理解。例如,激光线宽可以比人们认为由激光转换自发寿命强加的极限窄得多。查尔斯·汤斯(Charles Townes)从哥伦比亚大学的一位同事那里获得了一瓶苏格兰威士忌。激光和激光也精美地展示了工业,政府和大学研究之间的思想和动力的交流。

  最初,在1961年至1975年期间,激光的应用很少。这是寻找问题的解决方案。自20世纪70年代中期以来,激光技术在工业应用中爆炸式增长。

  随着这项技术的发展,包括半导体二极管激光器,染料激光器,超快模式锁定钛蓝宝石激光器,光学参数振荡器和参量放大器在内的新一代激光器正在促进物理学,化学领域的新研究突破。和生物学。

  三,世纪之交的激光

  Schawlow的“法律”指出,如果抽得足够的力量,一切都会激动。实际上,已经有数千种材料被证明是激光器和光学放大器,从而产生大范围的激光器尺寸,波长,脉冲长度和功率。激光波长范围从远红外到x射线区域。短至几飞秒的激光脉冲可用于材料动力学的研究。现在通过放大飞秒脉冲来实现petawatt范围内的峰值功率。当这些功率水平聚焦到衍射极限点时,强度接近1023W / cm2。在单个光学循环期间,这些强场中的电子被加速到相对论范围,并且可以研究有趣的量子电动力效应。这一百年系列(Bloembergen,1999)回顾了超短激光脉冲的物理特性。

最近一个大型强大激光器的例子是化学激光器,它基于1.3微米波长的碘过渡,被设想为防御性武器(Forden,1997)。它可以安装在波音747飞机上,平均功率为3兆瓦,相当于30个乙炔火炬。高质量介质镜和可变形镜的新进展使这种强光束能够可靠地聚焦在携带生物或化学试剂的小型导弹上,并在高达100公里的距离内将其摧毁。这次“星球大战”的攻击可以在目标导弹的发射阶段完成,这样被摧毁的部分导弹就会落回其发射器上,对这些邪恶武器有很好的威慑作用。柯克船长和星舰企业可能会在克林贡人中使用这个!

  在激光尺寸范围的另一端是微型激光器,它们很小,以至于只有少数光学模式包含在具有毫微微升范围内的体积的谐振器中。这些谐振器可以采用直径仅为几微米的环或盘的形式,其使用全内反射而不是传统的介质叠层反射镜,以获得高反射率。长度仅为几微米的Fabry Perot腔体用于VCSEL(垂直腔面发射激光器),可产生高质量的光束,可有效地耦合到光纤(Choquette和Hou,1997)。 VCSEL可以在光学数据链路中得到广泛应用。

  1997年主要商业市场的全球激光器销售(Anderson,1998; Steele,1998)如图1所示。激光器总销售额达到32亿美元,年增长率接近27%将超过50亿美元到2000年。激光器销售的全球分布在美国为60%,在欧洲为20%,在太平洋为20%。半导体二极管激光器占1997年激光器市场的近57%。仅电信领域的二极管激光器占整个市场的30%。

  材料加工是第二大市场,其应用包括焊接,焊接,图案化和织物切割。平均功率在100 W范围内的CO2激光器占该类别收入的很大一部分。功率输出水平在1到20 W之间,波长在750到980 nm范围内的高功率二极管激光器现在在材料加工以及眼科和外科应用,仪器仪表和传感领域得到了广泛的应用。

  医疗激光应用的增长主要归功于美容激光手术,如皮肤表面修复和脱毛。大部分医疗激光仍然用于眼科和一般外科手术应用。

激光技术(1)

倍频Nd:YAG激光器和二极管激光器系统正在取代眼科中的氩离子激光器。新的激光器,包括掺铒YAG激光器,被广泛用于皮肤病学,牙科学和眼科学。

  光学存储占市场的10%,其中人们发现用于娱乐和计算机市场的光盘(CD)播放器中使用的激光器。用于这些应用的800nm波长的GaAs半导体激光器今天制造得非常有效,激光器成本降至每个近1美元。超过2亿个二极管激光器,波长在750至980纳米范围内,功率为几毫瓦,于1997年被出售用于光学存储。

 具有4.7 GB存储容量的数字视频磁盘(DVD)和蓝色二极管激光器(DenBaars,1997)的出现将导致该领域的进一步增长。

  图像记录激光应用包括台式计算机打印机,传真机,复印机和商业印刷(Gibbs,1998)。发射波长为780至670nm的低功率单模二极管激光器用于图像记录器,用于生产在该波长范围内具有高灵敏度的相应分离膜。这种基于激光的彩色打印技术与桌面出版软件相结合,可实现高质量的页面设计。计算机直接制版技术是印刷业的又一重要发展。通过用激光束曝光而不是使用基于胶片的分色来直接对打印板表面进行成像。例如,光聚合物涂覆的板可以用波长为532nm的倍频二极管泵浦Nd:YAG激光器来曝光。最近,已经开发出热敏板用于近红外图案化激光器。

  遥感激光器市场包括汽车防撞,大气化学探测器和空气运动探测。激光测距提供了详细的地球高程图,包括陆块运动,生物量,云和雾霾覆盖以及冰盖演化。来自卫星的激光测距可以实现地面上的高程特征和陆块运动的亚厘米级分辨率。月球,火星和其他行星也被激光测距所映射。对于行星,测量精度范围在米和厘米之间。最近已经绘制了火星上的冰帽以及靠近冰帽边缘的云的详细特征。

研究中的激光应用,条形码扫描,检查,艺术和娱乐都是小而重要的市场。 1997年用于基础研究的激光器收入占1.32亿美元。低功耗,频率加倍的二极管光源以10 W左右的功率电平发射绿色,被用作频率可调激光器的泵浦激光器,如Ti:蓝宝石激光器和光学参量放大器。即使是台式研究激光器也可以通过大容量光放大器达到petawatt峰值功率范围。这些高度可调的超短脉冲正在许多研究领域取得进展。

  IV。通信中的激光

  激光光源彻底改变了通信行业。直到20世纪70年代中期,语音通信以稳定的速度增加了对信息传输容量的需求。在此期间,传输容量的倍增时间约为8年。基于音频传输,基本数据速率在10到80kHz之间。在此期间,首先是铜线,然后是微波,这是主要的通信技术。然后在20世纪80年代,爆炸性的信息率开始增加,数据,传真和图像被添加到信息流中。开发了使用激光光源的光纤通信新技术,以跟上这一新需求。全球互联网的出现导致了更加惊人的容量需求爆炸。在数据源处,计算机终端用于在世界各地的家庭和企业中访问互联网,导致数据速率呈指数级增长。随着工作站计算机速率接近1000 MIPS,将需要以1000 Mb / sec范围连接到计算机的光纤通信链路。注意这些比率的巧合,并且两者都呈指数增长。显然,对信息传输能力的需求将继续呈指数级增长。为了满足这一需求,1994年至1998年期间过去四年中单根光纤的信息容量在商用系统中从2.5 Gbits / sec增加到400 Gbits / sec,增加了160倍。

  通过在每根光纤上使用多达100种不同的激光波长(密集波分复用,DWDM),实现了这种惊人的增长。单波长的数据速率从20世纪70年代的数十兆比特/秒增加到目前的10千兆比特/秒,并且在世纪之交可能会使用40千兆比特/秒。

这场信息革命正在重塑全球社会,就像印刷机革命和工业革命重塑世界一样强烈。支持信息革命的两项基本技术是半导体二极管激光器和掺铒光纤光放大器。与激光振荡器和放大器相关的低噪声,高强度和窄线宽对于光纤通信系统是绝对必要的。更宽的带宽非相干光源(如发光二极管或热源)达不到所需的强度和光谱线宽达数个数量级。

  半导体激光二极管于1962年首次在GE,IBM和林肯实验室展示为基于III-V材料的同质结器件。这些早期二极管激光器和参考文献的历史可以在Agrawal和Dutta(1993)中找到。当第一个异质结GaAs / AlGaAs室温时,连续波二极管激光器由Hayashi和Panish在1970年运行(Hayashi等,1970)。在俄罗斯的贝尔实验室和Alferov(Alferov等人,1970年),他们的生命周期以分钟为单位。从那时起,二极管激光可靠性大幅增加。目前的二极管激光器寿命估计为数百年,并且在25年的时间内波长稳定性大于0.1nm。这些惊人的稳定性对于具有100多个波长范围的100nm波长范围的新DWDM系统是必要的。由于在20世纪70年代,二氧化硅光纤中低损耗的最佳波长在波长从800nm增加到1500nm,二极管激光波长随后从GaAs演变为InGaAsP系统。在20世纪80年代末和90年代初期,量子阱取代了有源光学增益区域中的体半导体,以增强激光器工作特性。图2中示出了与电吸收调制器集成的当今电信二极管激光器的示意图。总体尺寸小于1mm。在有源量子阱下方的升高的折射率区域和掩埋分布反馈(DFB)光栅分别限定激光器光学腔和激光器波长。

  光纤通信系统也强烈依赖于20世纪80年代后期开发的掺铒光纤放大器(Urquhart,1988)。这些放大器很高

激光技术(2)

图。图2.用于光通信系统的带有电吸收调制器的半导体激光二极管的示意图。 (由R.L.Hartman提供,Lucent Technologies提供)增益,通常接近25 dB,低噪声系数接近线性相位不敏感放大器的3dB量子噪声限值。这些放大器的增益可以在高达100 nm的带宽内均衡,覆盖在1.2和1.6μm波长之间的低损耗石英光纤窗口的近四分之一。使用间距约为80 km的掺铒光纤放大器,可以使光纤系统在数千公里内“透明”,光纤损耗接近20 dB。

  随着世纪的关闭,我们正在迅速接近激光器,光放大器和石英光纤的基本物理极限。激光线宽在10 MHz范围内,受到半导体材料中基本自发辐射波动和增益折射率耦合的限制。检测到的信息位中的光子数接近使用相干态激光场时所需的约60个光子的基本极限,以便在109中保持小于1的误码率。带宽利用效率为1位/最近证明了sec / Hz。光放大器带宽尚未超过低损耗光纤窗口的400 nm宽度,但它们正在迅速扩展。二氧化硅光纤中非线性和色散失真所带来的基本限制使得数据速率超过40 Gbits / sec的传输非常难以长距离传输。光孤子可以用来平衡这些失真,但即使是孤子,高比特率,多波长系统仍然存在基本限制。信息理论强加的信道容量限制即将出现。在接下来的几个世纪中,为不断扩大的沟通愿望寻找更多的信息传输能力显然是一项挑战。

  V.材料加工和光刻

  高功率CO2和Nd:YAG激光器用于各种雕刻,切割,焊接,焊接和3D原型制作应用。 rf激发的,密封的CO 2激光器是商业上可获得的,其具有10至600W范围内的输出功率并且具有超过10000小时的寿命。激光切割应用包括帆篷,降落伞,纺织品,安全气囊和蕾丝。切割非常快速,准确,没有边缘变色,并且获得了清洁的熔合边缘,消除了材料的磨损。复杂的设计包括木材,玻璃,丙烯酸,橡皮图章,印刷版,有机玻璃,标牌,垫圈和纸张。使用CAD(计算机辅助设计)计算机文件,可以使用塑料或木材快速制作三维模型。

光纤激光器(Rossi,1997)是材料加工领域的新成员。贝尔实验室使用晶体光纤演示了第一批光纤激光器,以开发用于海底光波通信的激光器。很快开发出掺杂熔融石英光纤激光器。在20世纪80年代后期,Polaroid公司和南安普顿大学的研究人员发明了包层泵浦光纤激光器。围绕这些激光器中的引导芯的玻璃既用于引导单模芯中的光,又用作泵浦光的多模导管,其传播通过低折射率外聚合物包层限制在内包层中。目前的典型操作方案使用多模20W二极管激光器条,其有效地耦合到大直径内包层区域中并且在其整个长度(通常为50μm)上被掺杂的芯区域吸收。提供增益的光纤芯中的掺杂剂可以是1.5μm波长区域的铒或1.1μm区域的镱。高质量的腔镜直接沉积在光纤的末端。这些光纤激光器效率极高,整体效率高达60%。由于输出形成为光纤的单模输出,因此光束质量和输送效率非常好。这些激光器现在具有10至40 W的输出功率和近5000小时的寿命。这些激光器的当前应用包括退火微机械部件,切割25至50μm厚的不锈钢部件,选择性焊接和复杂机械部件的焊接,标记塑料和金属部件以及印刷应用。

准分子激光器开始在用于制造VLSI(超大规模集成电路)芯片的光刻中起关键作用。随着IC(集成电路)设计规则从0.35μm(1995)减小到0.13μm(2002),用于光刻图案化的光源的波长必须相应地从400nm减小到200nm以下。在20世纪90年代早期,汞弧辐射在436nm和365nm的足够短的波长下产生足够的功率,用于IC器件的高生产率,分别被图案化为0.5μm和0.35μm的设计规则。随着本世纪的结束,平均输出功率在200 W范围内的准分子激光源正在取代汞弧。准分子激光器线宽足够宽以防止散斑图案形成,但足够窄,小于2nm波长宽度,以避免光学成像中的色散问题。 248nm波长的氟化氪(KF)准分子激光辐射支持0.25μm设计规则,并且可以从0.18μm设计规则开始使用193nm处的ArF激光跃迁。在更小的设计规则下,到2008年降至0.1μm,F2准分子激光波长在157 nm处是可能的候选者,尽管目前还没有针对该波长开发出光致抗蚀剂。固态激光器的更高谐波也是高功率紫外光源的可能性。在甚至更短的波长下,光学元件和光致抗蚀剂很难满足光刻系统的要求。电子束,X射线和同步辐射仍在考虑2010年及以后的70纳米设计规则。

  VI.LASERS IN MEDICINE

  具有从红外到紫外线的波长的激光器正在医学中用于诊断和治疗应用(Deutsch,1997)。激光通过吸收和散射与不均匀的组织相互作用。

吸收剂包括黑色素皮肤色素,血液中的血红蛋白和蛋白质。在波长大于1μm时,主吸收剂是水。还可以将染料引入组织中以进行选择性吸收。例如,在光动力疗法中,可以将在630nm至650nm波长范围内吸收的血卟啉染料光敏剂引入系统中,并用于通过泌尿道或食道中的局部激光照射来治疗癌症肿瘤。组织中的散射限制了辐射的穿透;例如,在1μm的波长下,散射将穿透深度限制为几毫米。正在研究散射过程,以期获得乳腺癌筛查的高分辨率图像。激光与组织的相互作用取决于激光是脉冲还是连续波。在脉冲期间不发生热扩散的短激光脉冲可用于限制激光效应的深度。这种现象以及激光波长的选择性调谐在皮肤病学中用于治疗皮肤损伤和去除蜘蛛纹,纹身和毛发。非线性相互作用也起着重要作用。例如,激光诱导的分解用于肾和胆囊结石的碎裂。

  由于眼睛的内部容易通过光进入,因此眼科应用是激光在医学中的首次广泛使用。氩激光器现在已经使用多年来治疗视网膜血管的视网膜脱离和出血。二氧化碳和Nd:YAG激光切割组织同时凝固血管的广泛可用性导致其早期用于普通外科手术。 Er:YAG激光器最近已被引入牙科应用,有望大幅减少疼痛,当然是激光技术的一个受欢迎的贡献。

  使用激光的诊断程序迅速增加。一些技术广泛用于临床实践中。例如,流式细胞仪使用两个聚焦激光束来顺序地激发细胞颗粒或通过喷嘴在液体中流动的分子的荧光。测量的荧光信号可用于细胞分选或分析。流式细胞术的常规临床应用包括免疫表型分析和DNA含量测量。流式细胞仪用于物理分离大量人类染色体。分选的染色体为每个人染色体构建重组DNA文库提供DNA模板。这些库是基因工程的重要组成部分。

基于激光技术(称为光学相干断层扫描(OCT))的基于激光的医学成像技术(Guill- ermo等,1997)实现了10μm范围内组织的空间分辨率。超声和磁共振成像(MRI)分辨率限制在100μm至1 mm范围内。新的高分辨率OCT技术足够敏感,可以在早期检测与癌症和动脉粥样硬化相关的异常。 OCT技术类似于超声波,但它利用明亮,宽光谱带宽的红外光源,相干长度接近10μm,与声学和MRI技术相比,分辨率至少提高了一个数量级。源可以是超发光二极管,Cr:镁橄榄石激光器,或锁模Ti:蓝宝石激光器。 OCT通过使用光纤迈克尔逊干涉仪在组织中进行光学测距。由于仅当样品的光程长度和干涉仪的参考臂匹配在光源的相干长度内时才会观察到干涉,因此可以获得精密距离测量值。通过改变干涉仪的参考臂的长度来获得作为深度的函数的反射/散射信号的幅度。当在整个样品上扫描光束位置的同时记录连续的轴向反射/散射轮廓时,产生横截面图像。最近的研究表明,OCT可以在高度散射的组织中对建筑形态进行成像,例如视网膜,皮肤,血管系统,胃肠道和发育中的胚胎。使用该技术与导管内窥镜结合获得的兔气管的图像显示在图3中.OCT已经在临床上用于诊断广泛的视网膜黄斑疾病。

  使用自旋极化气体的优雅和新颖的光学技术(Mittleman等,1995)正在被用于增强肺和脑的MRI图像。使用圆偏振激光辐射对准Xe和3He气体中的核自旋。这些对齐的核的磁化强度几乎是通常用于MRI成像的质子的105倍。氙被用作脑探针,因为它可溶于脂质。在像肺部这样的区域,对于高对比度的MRI图像,其中没有足够的水,3He提供了高对比度的图像。人们甚至可以观察肺部的3He流量以进行功能诊断。

  VII。生物学中的激光

  生物学中的激光应用可用两个例子来说明,激光镊子和双光子显微镜 -

激光技术(3)

图。 3.体内兔气管的光学相干断层扫描图像。 (a)该图像允许可视化不同的architechtual层,包括上皮(e),粘膜基质(m),软骨(c)和脂肪组织(a)。

可以很容易地识别气管肌肉(tm)。 (B)相应的组织学。棒,500微米复制。当准直激光聚焦在像生物细胞这样的小介电体附近或内部时,细胞中光的折射导致透镜效应。通过来自弯曲光束的动量传递将力传递给电池。贝尔实验室的Arthur Ashkin(Ashkin,1997)发现,通过微观排列改变焦点体积的形状和位置,使用10 W附近的光强度,可以使用这些“激光镊子”力轻松移动或捕获细胞。 /厘米2。在近红外的这些光水平和波长下,细胞成分没有明显的损伤或加热。激光镊子现在被用于移动细胞内的线粒体等亚细胞体(Sheetz,1998)。镊子技术也可用于将DNA链拉伸成线性配置以进行详细研究。两个激光束可用于稳定细胞,然后第三个不同波长的激光束可用于光谱或动态研究。脉冲激光被用作“剪刀”,以在细胞结构中进行特定修饰或在细胞膜中形成小孔,从而可以选择性地将分子或遗传物质引入细胞中。

激光技术(4)

图。 4.(颜色)双光子共聚焦显微镜荧光图像的生活Purkenji细胞在脑切片。电池尺寸约为100μm。

  扫描共聚焦和双光子光学显微镜是激光技术对生物学贡献的极好例子。现在,神经细胞对功能性大脑和胚胎发育近200μm的三维成像已成为现实。由于可靠的激光光源,实际的共聚焦显微镜在20世纪80年代后期得到广泛应用。共焦显微镜中透镜的分辨率用于将光聚焦到衍射极限光斑,然后再次将信号光子(即,未被样品强烈散射的光子)成像到光圈上。即使获得高分辨率3D图像,这种单光子方案也是浪费地使用照明光,因为主要部分从孔径散射或被样品吸收。在荧光显微镜中,荧光团的光损伤是单光子共聚焦显微镜的一个特别限制因素。

多光子扫描共聚焦显微镜于1990年推出,解决了单光子技术的许多问题。典型的双光子显微镜使用来自Ti:蓝宝石锁模激光器的短100 fs脉冲,平均功率水平接近10 mW。每个脉冲峰值处的高强度仅在小的聚焦体积内引起强的双光子吸收和荧光,并且可以收集所有荧光辐射以获得高效率。激发光被选择用于最小的单光子吸收和损伤,因此双光子技术具有非常高的分辨率,低损伤和深穿透性。

图4显示了脑切片中活体Purkenji细胞的漂亮双光子荧光图像(Denk和Svoboda 1997)。在大鼠躯体感觉皮层的第2层和第3层中的新皮质嘧啶神经元已经在脑表面下方200μm的深度处成像。更令人印象深刻的是胚胎发育的电影。胚胎显微镜对光损伤特别敏感,双光子技术在这一领域开辟了新的前景。

  VIII。物理学中的激光

  激光技术刺激了整个电磁波谱中光谱学的复兴。窄激光线宽,大功率,短脉冲和宽波长范围允许对气体,等离子体,玻璃,晶体和液体进行新的动态和光谱研究。例如,自从激光器发明以来,2D电子气体中的声子,磁振子,等离子体,旋转子和激发的拉曼散射研究蓬勃发展。非线性激光光谱学已经导致精确测量的大幅增加,如本卷中的文章所述(Ha¨nsch和Walther 1999)。

  精确调节到原子跃迁的频率稳定染料激光器和二极管激光器产生了超冷原子和玻色爱因斯坦凝聚体,这也在本卷中有所描述(Wieman等,1999)。原子状态控制和原子奇偶校验非保存的测量已达到精确度,允许在粒子物理中测试标准模型以及对标准模型之外的新物理的关键搜索。在最近的奇偶校验非保守实验中(Wood等,1997),Ce原子在通过两个红色二极管激光束时以特定的电子状态制备。然后,这些制备的原子进入光腔谐振器,在那里通过从频率稳定的dy e激光器注入腔中的高强度绿光将原子激发到更高的能级。可以反转在该激发区域中施加的电场和磁场以为原子创建镜像环境。

  在原子离开激发区之后,通过第三红色二极管激光器测量原子激发速率。通过所施加的电场和磁场的镜像,该激发速率的非常小的变化表明奇偶校验不守恒。奇偶校验非保存测量的准确性已经发展了几十年,达到了0.35%的水平。该测量精度对应于核自旋相关原子奇偶校验违反的第一个最终隔离。在这个准确度水平上,很明显电子 - 核相互作用的一个组成部分是由于核子的一个时刻,一个磁矩可以看作是由核中的环形电流分布产生的。

  激光也为天体物理学领域做出了贡献。在第一次实验中将使用波长为10.6μm的Nd:YAG激光器来尝试检测来自超新星和轨道中子星等来源的重力波。

这些实验使用的干涉仪能够测量两个干涉仪臂之间的长度变化,在1022年精度为一个部分。预测这种幅度的空间扭曲来自天体物理源的重力辐射。陆地实验在美国称为LIGO(光干涉引力波观测台),在欧洲称为GEO。一个名为LISA(光干涉仪空间天线)的太空实验也在进行中。 LIGO干涉仪臂每个长4公里。光源需要功率为10 W的频率稳定,低噪声,高空间光束质量的激光器。腔镜在每个干涉仪臂中形成谐振器,其将腔中的功率增加到接近1kW。四个Nd:YAG棒,每侧由两个20 W二极管泵浦,将非平面环形振荡器的单频输出从700 mW放大到至少10 W.实现检测引力波所需的灵敏度意味着将每个干涉仪边缘分解为一个1011年,这是一个令人生畏但有希望实现的目标。

  IX.FUTURE LASER TECHNOLOGIES

  自由电子激光器和激光加速器是开发激光技术的例子,可能在下个世纪产生巨大影响。自由电子激光器(FEL)基于来自在周期性磁场中起伏的相对论电子束的光学增益(Sessler和Vaugnan,1987)。基于超导微波腔的电子束加速器正在杰斐逊实验室的一个新的FEL中心开发。这些加速腔产生10至20 MeV / m范围内的高场,并且可以非常有效地生成FEL光,可以从红外到深紫外调谐,平均功率水平在千瓦范围内(Kelley等,1996) 。目前,1千瓦的平均功率红外FEL即将完工,正在计划升级为强大的深紫外FEL。在这些巨大的力量下,许多新技术可能具有商业价值。短而强烈的FEL脉冲可以允许快速热退火和清洁金属表面。脉冲激光退火可导致机床硬度几乎增加一个数量级。高平均FEL功率可能足以使激光增强工具的商业生产成为现实。另一个需要高功率处理大量产品的大型市场是聚合物包裹和布料。在这种情况下,强烈的FEL脉冲可以诱导广泛的改性聚合物性质,包括可以用于食品包装的抗菌聚合物表面和具有令人愉悦的质地和改善的耐久性的衣服。高平均功率和波长可调性对于用于在塑料片中压印图案的大面积微加工工具的图案化也是重要的。

Petawattclass激光器可以为新一代粒子加速器提供基础。目前使用的微波场加速器的频率可能会受到自生尾流的限制,小于100 GHz,其中加速场达到100 MeV / m范围。强激光束被用于在100 GeV / m范围内产生更高的场(Madena等,1995)。例如,一种技术使用两个激光束,其差频被调谐到由激光电离的气体的等离子体频率。可以在等离子体波的周期性空间电荷区域之间产生高达160GeV / m的加速场。可以设计这些巨大场的传播速度以匹配加速粒子的相对论速度。为了实现实用的加速器,仍有许多工作要做,但原则证明已经实现。

  在这篇简短的评论中,开发激光技术及其对科学的贡献太多,无法充分涵盖。卫星网络,激光推进航天器和激光聚变之间的激光通信是开发激光技术的另一个例子。在基础科学中,有许多新的实验正在通过激光技术实现,包括使用来自高层大气钠层的激光反射校正天文学中的大气失真,以及使用超强激光束研究量子电动力学。正如在20世纪60年代和70年代难以想象激光技术的潜力一样,很明显我们现在无法想象激光器的许多新发展及其在下个世纪的应用将会看到。我们的新激光光源肯定会触动我们所有人,无论是在我们的日常生活中还是在科学界。

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