最亮的光、最準的尺、最快的刀

2022-10-11 22:16:03薛海鳳

科學大觀園 2022年20期

薛海鳳

“最亮的光”“最準的尺”“最快的刀”，說的是激光。激光切割、激光焊接、激光打標、激光打孔、激光通信、激光打印、激光治療、激光美容術、激光碎石、激光測距、激光全息攝像等已進入人們視野。

激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體后，人類又一重大發明。什么是激光呢？原來組成物質的原子中，有不同數量的粒子（電子）分布在不同能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發，會從高能級跳（躍遷）到低能級上，輻射出與激發它的光相同性質的光，且在某種狀態下，能出現一個弱光激發出一個強光的現象，這叫“受激輻射的光放大”，簡稱激光。世界上第一臺激光器誕生于1960年，我國研制出第一臺激光器是1961年。原子自發輻射發出的光，不具有相位、偏振態、傳播方向上的一致，是物理上的非相干光。而激光，受激輻射的光，能輻射與外來光子頻率、相位、偏振態以及傳播方向都相同的光子。激光就好像紀律嚴明的光子部隊，行動一致，有著極強戰斗力，這就是為什么許多事情激光能做，而陽光、燈光不能做的主要原因。

激光是20世紀60年代的新光源，具有方向性好、亮度高、單色性好和高能量密度等特點，從高端的光纖到常見的條形碼掃描儀，已廣泛應用于工業生產、通信、醫療衛生、軍事、文化教育等方面。

最亮的光——激光亮度極高，約為太陽光的100億倍。因為亮度極高，能夠照亮遠距離的物體。紅寶石激光器發射的光束在月球上產生的照度約為0.02勒克斯（光照度的單位），顏色鮮紅，激光光斑肉眼可見。激光亮度極高的主要原因是定向發光，大量光子集中在一個極小的空間范圍內射出，能量密度自然極高。

最準的尺——普通光源向四面八方發光，而激光定向發光，朝一個方向射出，光束的發散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。1962年，人類第一次使用激光照射月球，地球離月球的距離約38萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。1969年，激光用于遙感勘測，激光射向阿波羅11號放在月球表面的反射器，測得的地月距離誤差在幾米范圍內。激光傳感器是新型測量儀表，具有無接觸遠距離測量、速度快、精度高、抗電干擾能力強等優點。激光測距儀應用到火炮系統，提高了火炮射擊精度。激光雷達相比于無線電雷達，發散角小，方向性好，測量精度大幅度提高，且不存在“盲區”，適宜跟蹤測量。

最快的刀——激光以光速傳播，速度極快。用于醫學診斷與治療，解決了醫學中的許多難題，為醫學的發展作出了貢獻。如激光治療心血管疾病、準分子激光角膜成形術、激光美容術（去皺、治療黃褐斑等）、激光纖維內窺鏡手術、激光胸腔鏡手術、激光碎石術等。激光手術有傳統手術無法比擬的優越性，激光手術刀高能量、聚焦精確，不影響周圍鄰近組織，有一定穿透力，不需要住院治療，手術切口小，術中不出血，創傷輕，無瘢痕，可減輕痛苦，減少感染，療效確切，安全可靠。飛秒激光在超快現象領域中起到快速過程診斷的作用，猶如超高速的“相機”可將快速過程分析、記錄下來。

能量密度極大的光——激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因為它的作用范圍很小，一般只有一個點），短時間里聚集大量的能量，用在激光切割、激光打孔、武器方面。例如紅寶石激光器發出的激光束，能穿透一張1/3厘米厚的鋼板，但總能量卻不足以煮熟一個雞蛋。激光分離技術是將能量聚焦到微小的空間，獲得極高的輻照功率密度，進行非接觸、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下，幾乎可以對任何材料實現激光切割和打孔。激光切割技術是擺脫傳統的機械切割、熱處理切割之類的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更靈活的切割方法和更高的生產效率等特點，運用在汽車、計算機、各種金屬零件和特殊材料的切割等方面。激光打孔主要應用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業。在軍事中，激光武器是利用定向發射的激光束直接毀傷目標或使之失效的定向能武器，具有攻擊速度快（用光速飛行，每秒30萬公里，任何武器都沒有這樣高的速度）、轉向靈活、可實現精確打擊、不受電磁干擾、沒有任何發射性污染等優點。激光產品已成為現代武器的“眼睛”和“神經”。飛秒激光在超強領域中的應用可用于受控核聚變的研究。

最純的光——光的顏色由光的波長（或頻率）決定，一定波長對應一定的顏色。太陽光由紅橙黃綠藍靛紫共7種顏色光組成，不具有單色性。氪燈、氦燈、氖燈等只發射某一種顏色的光為單色光源。如氖燈只發射紅光，單色性很好，被譽為單色性之冠，波長分布的范圍仍有0.00001納米，而氦氖激光器發出的紅光，波長分布范圍可以窄到2×10-9納米，越窄越純，可見激光是最純的光。

目前，激光技術已融入我們日常生活中，未來歲月中，激光會帶給我們更多的驚喜與奇跡。