激光器的發明和應用

激光的出現是20世紀60年代最重大的科學技術成就之一。它以其高亮度、高方向性、高單色性、高相幹性等突出特點，得到了廣泛的應用，並在科學技術的許多重大領域開辟了新的生長點，引起了革命性的變化。

1916年，愛因斯坦發表了《關於輻射的量子理論》一文，首次提出了受激輻射的概念。按照這個理論，處於高能態的物質粒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，並產生第二個光子，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，而且是相幹光，即兩個光子的方向、頻率、位相、偏振都完全相同。

隨著量子力學的建立和發展，人們對物質的微觀結構及其運動規律有了更深入的了解，微觀粒子的能級分布、躍遷和光子輻射等也得到了更有力的證明，這就在客觀上更加完善了愛因斯坦的輻射理論，為激光的產生奠定了理論基礎。40年代末，出現了量子電子學，它主要研究電磁輻射與各種微觀粒子係統的相互作用，並從而研製出相應的器件。這些理論和技術的進展，都為激光器的發明準備了條件。

1951年，美國物理學家珀塞爾和龐德在核感應實驗中，把加在工作物質上的磁場突然反向，結果在核自旋體係中造成了粒子數反轉，並獲得了每秒50千赫的受激輻射，這是在激光史上有重大意義的實驗。

1954年，美國科學家湯斯和他的助手戈登、蔡格一起，製成了第一台氨分子束微波激射器。這台微波激射器產生了1．25厘米波長的微波，功率很小，但它成功地開創了利用分子或原子體係作為微波輻射相幹放大器或振**器的先例，因而具有重大意義。與此同時，蘇聯的巴索夫和普羅霍洛夫以及美國馬裏蘭大學的韋伯，也分別獨立地提出了微波激射器的思想。

由於微波激射器的成功，使人們進一步想到，如果把微波激射器的原理推廣到光頻波段，就有可能製成一種相幹光輻射的振**器或放大器。生產和科學技術發展的需要，也推動科學家們去探索新的發光機理，以產生新的性能優異的光源。

1958年，肖洛與湯斯將微波激射器與光學、光譜學的知識結合起來，提出了采用開式諧振腔的關鍵建議，並預言了激光的相幹性、方向性、線寬和噪音等性質。同一時期，巴索夫、普羅霍洛夫等人也提出了實現受激輻射光放大的原理性方案。

1960年7月，美國青年科學家梅曼成功地製造並運轉了世界第一台激光器。工作物質用人造紅寶石，激勵源是強的脈衝氙燈，它獲得了波長0．6943微米的紅色脈衝激光。

第一台激光器問世以後，激光發展很快，短短時間裏就出現了許多不同類型的激光器。1961～1964年，先後製成釹玻璃激光器和摻釹釔鋁石榴石激光器，它們和紅寶石激光器都是迄今仍被大量應用的固體激光器。

1960年底，貝爾電話實驗室的賈萬等人製成了第一台氣體激光器——氦氖激光器。1962年，有三組科學家幾乎同時發明了半導體結激光器。1966年，又研製成了波長可在一段範圍內連續調節的有機染料激光器。此外，還有輸出能量大、功率高，而且不依賴電網的化學激光器等。 ．由於激光器的種種突出特點，因而很快被運用於工業、農業、精密測量和探測、通訊與信息處理、醫療、軍事等各方麵，並在許多領域引起了革命性的突破。比如，利用激光集中而極高的能量，可以對各種材料進行加工。

激光作為一種在生物機體上引起刺激、變異、燒灼、汽化等效應的手段，已在醫療、農業上取得良好的效果；激光在軍事上除用於通信、夜視、預警、測距等方麵外，各種激光武器、激光製導武器已投入實用。今後，隨著激光技術的進一步發展，激光器的性能和成本進一步降低，其應用範圍還將繼續擴大，並將發揮出越來越重大的作用。

高壓鍋的問世

高壓鍋作為廚房用具的曆史並不太長，但它的出現卻是300多年前的事了。

發明高壓鍋的是法國科學家帕平，他於1647年出生於法國的布盧瓦，後來到倫敦，擔任著名科學家波意耳的助手。

由於他有很多發明創造，所以成為了英國皇家學會會員。

帕平早就有發明高壓鍋的念頭。他想，既然水沸騰的溫度可以隨著壓力的升高而上升，那麽，要是把盛水的容器密封起來，在使蒸汽不外泄的情況下加熱，容器內的壓力增高，沸點也會超過100cI=。如果把食物放在這樣的容器裏，一定會熟的更快，煮的更爛。

按照這一設想，他開始進行試驗。

在密閉的容器裏給水加熱是很危險的。因為蒸汽不能外泄，它對容器的壓力就要大大升高，最後就會像炸彈一樣引起容器爆炸。

為了使容器內的壓力不至於太高，帕平發明了一個減壓裝置，用它使蒸汽在達到危險壓力以前就放泄出去，這個裝置就是現在高壓鍋上的“安全閥”。

帕平給他發明的安全高壓鍋取了個名字叫“消化器”。’高壓鍋的初次使用是在皇家學會會員的一次集會上，帕平用他發明的高壓鍋做了菜請大家品嚐，給大家留下了深刻的印象。

當時出席這次集會的皇家學會會員約翰·葉維林在他的日記中這樣寫道：1681年4月12日。這天下午，幾位皇家學會會員受帕平的邀請共進晚餐。席上的魚、肉全是用帕平的“消化器”燒煮的，連最硬的牛羊肉都煮得像奶酪一樣稀爛，隻用了8盎司的煤就煮出了大量的肉汁。用牛骨煮的肉凍香氣撲鼻，是我從未吃過、也從未見過的。

1681年，帕平寫了一本書介紹這種裝置，這本書包括一幅高壓鍋結構圖和詳細說明其結構的文字，並用若幹章的文字詳細介紹了用壓力鍋做羊肉、牛肉、兔子肉、鴿子肉、鯖魚、狗魚、大豆、青豆等食物的情況。

帕平一再強調說，用這種烹調法能保留用其他方法不能保留的香味和營養成分。

英皇查理二世對這一發明極感興趣，並特地命令帕平為他製造了一個，放在白金漢宮中國王的實驗室裏。

若幹年後，帕平開始任皇家學會的臨時實驗室主任，1712年前後逝世於倫敦。

晶體管的誕生

晶體管是在人們對半導體材料進行深入研究的基礎上發明的。半導體材料是導電性介於金屬和絕緣體之間的材料，一般是固體，比如鍺和矽等。半導體中雜質的含量和外界條件(如溫度和光照)的改變會引起導電性能發生很大變化。半導體材料之間，或者半導體和某些金屬材料之間相接觸的地方，具有單向導電的性能，和二極電子管的性能相像。

1928年，有人提議用半導體材料製作和電子管功能差不多的晶體管。但一方麵由於當時還缺少研究半導體電子特性的固體物理學知識；另一方麵由於按溫度、壓力、化學組成等宏觀概念產生的半導體材料在微觀結構上是混亂的，沒有規律，它的電子性能具有很大的偶然性，因此晶體管沒有研製成功。

隨著研究分子、原子和電子狀態的固體物理學的發展，隨著晶體生長理論和生長技術的發展，高純度的晶體鍺生產出來了，這就給晶體管的研製創造了條件。

美國貝爾研究所的巴丁、肖克利、布拉頓等人合作研製成功了晶體管。

巴丁原是大學教授，擔任貝爾研究所所長，研究半導體理論，1947年他提出關於結晶表麵的理論。 ’布拉頓是實驗物理學家，他對半導體表麵進行實驗研究，發展了半導體單晶的精製、成長等有關技術。巴丁和布拉頓兩人，一個是理論家，一個是實驗大師。

1948年他們合作研製成功第一個點接觸型晶體管。

肖克利從1936年開始進行關於固體物理學、金屬學、電子學等基礎理論研究。從1945年起在貝爾研究所從事半導體理論研究，1949年他提出了P—N結理論(關於晶體中由於摻人雜質的不同所形成的P型和N型兩種導電類型區域的理論)。不久，貝爾研究所研製成功第一個結型晶體三極管。

由於研製成功晶體管，他們三人獲得1956年諾貝爾物理獎。

晶體管最初采用鍺晶體做原料，後來由於矽的提純和加工技術的發展，矽晶體比鍺晶體的性能優越得多，因此矽晶體管取代了鍺晶體管。晶體管具有小型、重量輕、性能可靠、省電等優點。正是由於具有這些優點，到50年代末和60年代初，晶體管逐漸代替了電子管。