激光

一九六O年，一种新奇的光沅一激光器诞生了。它是近二十年来人类最重要的发明之一。激光的出现，标志着人们掌握和利用光波进入了一个新的阶段，有力地促进了各种科学技术的发巳。

激光与普通光有什么不同呢？首先，激光是一种颜色最为单纯的光。普通的光，是五光十色的许多种光的混合。比如太阳光或电灯光，我们看它似乎是白色的，但通过一块棱耕，就看出它庑来包含红、橙、黄、绿、专、兰、紫各种颜色，还包含我们看不见的红外光和紫外光。再比如霓虹灯，我们粗看好象就是红色的，其实通过分光田就会发现，它庑来由几种红色、一种黄色还有两种稍暗的绿色混合成的。而实验证明激光的颜色，则是最纯的。

第二是激光的方向性好。我们日常所见的灯，都是向，四百八方放射光芒的。就是手电筒，本来發出光时直径不过三到五厘米，但照出不到几米，就扩已成好大的一团了。而激光，传怖中象一条笔直的细线，扩散极小。从一个普通的氦氖激光叫射出20公里远，光斑也不过茶杯口那么大，就是把激光从地球射到距离38万公里远的月亮上。光点扩大不到两公里。而假设探照灯也能照到月亮上，那光束的直径将要扩大到好几千公里以上了（图1）。

第三是激光的亮度极高。高亮度，忌昧着能舅在时间上和空间上的高度集中。第一颗原子弹爆炸时，有人形容它“比一千个太阳还亮”。而强的激光，在同样颜色、同样单位立体角内，比太阳还要亮100亿倍！我们知边，用放大铁汇聚中午的阳光，很容勿把纸点燃。如果把激光汇聚起来，大量的光能务集中在物体的一个小点，被物体吸收而转变成热能，在不到千分之一秒的时间内，能产生几千万度的高温，最难熔的金展，在这一瞬间也化成一缕专烟了。

这样奇妙的光，是怎么产生的呢？那就要从物质怎样“发光”来说了。我们知过，物质是由原子组成的。原子又是由原子核和环绕着原子核在规定的轨边上运动的电子组成的，有点象由许多行星围绕太阳运动而组成的太阳系。这些运动的轨边是一个一个固定的。电子所具有能舅的大小，与它所在轨边与屍子核的距离有关。轨边离原子核越近，电子的能量越低，我们说电子处于低能态。距原子核最近的轨边，则代表电子的基态。反之，离原子核较远的，能另较高，我们说它处于高能态。电子能舅变化会使原子能量产生相应变化，因此这时原子也处于高能态。电子只能从一个轨边跳到另一个轨边上去，而不能仃苗在轨边之间。也就是说：电子的能量只能一级一级地变化，而不能连续改变。在正常条件下，当电子吸收外来的一份能量时，就可以从基态跳到高能态上去，这个过程叫“激发”。但是电子不能在高能态上长久仃当，当它从高能态又跳回基态时，就要以光或热的形式放出一份能另来，这个过程叫“退激发”。激发或退激发的过程称为“跃迁”。发光的跃迁，叫作“辐射跃迁”。由此可见，原子的能量都只能这样一级一级地变化。当这些原子吸收了外来的电、光、热或化学能，就从基态激发到高能态。在无外界干扰的传况下，原子自发地从高能态跃迁回基态时，就把它们刚刚吸收的一份能量以光波的形式释放出来，这就叫“自发辐射发光”。这也就是电灯、日光灯、霓虹灯等等发光的的庑理。这种发光，由于无数发光粒子的运动是彼此无关、杂乱无章的，所以发出的光，也就方向凌乱、颜色混杂、能帚分散。如果我们以某种方式把原子激发到高能态，并使到达高能态的屍子数大于基态的原子数。在这时，如果有一个适当的光刺激它们一下，这“刺激”象统一指挥的号令，使高能态的屁子，步调一致地跃迁，回到低能态或者基态，则这时原子所发出的光同刺激它们的光在方向上、颜色上都完全一样。这样，就得到颜色单纯、方向一致、亮度极大的，因受激而发射出来的光——激光了。

在不到二十年的时间里，人们已经发现了几百种能用来产生激光的材料，制造了各种各样的激光四。它们发出从红外线、可见光到紫外线等等许多种可见的和不可见的激光来。有的连续不断地发出数千瓦的激光;有的在一瞬间可发出一万亿瓦的激光。有的激光器大到好几十米长;有的小得好象一颗砂粒。如果按照激光的使用的材料来分类，目前应用最广泛的是用气体材料制造的激光四。象常用于精密计男、全息照像、准直、定位的氦氖激光器：用作激光电视、水下通讯和做眼科手术的氩离子激光器;还有功率很大，可用来焊接和切割金屡的二氧化碳激光器。都是气体激光器。世界第一个激光四，是1960年美国科学家梅曼用红宝石做的。它屡于固体激光器这一类。这类激光四用的材料是玻璃或晶体，轨出功率大，结构牢，体积小。可用来打孔，引炒氢弭;还可用来通讯、测距和作激光雷达。最小最轻的激光四是用半导体材料做的。这种激光四就象一只晶体管。用在小型通讯机和测距仪上是很方便的。此外还有用有机染料的溶液制成的激光口，叫染料激光器。它们的特点是发出激光的颜色可以连续改变。这种激光器在科学研究中的应用是很广阔的。

由于激光具有许多不寻常的特性，所以它的应用范围十分广阔。当前，它几乎已经渗透到各个科学技术领域中去了。下百，我们仅就几个方百作一简介。

激光最早的，也是目前最成熟的应用是在材料加工方百。把较强的激光汇聚成功率密度极高、直径仅为零点几亳米以下的光点，可用来切割高硬度、高熔点的材料，就象用一把锋利的刀片裁纸一样。切缝细窄，又平又直。不仅速度快，而且质量好（图2）。激光还能进行不锈钢等高熔点金展的焊接和进行许多其它机械加工方法很难甚至不能完成的加工。譬如化纤工业中喷丝头上钻孔;火箭发动机燃料喷咀上打孔，钟表、仪表用的宝石轴承上打孔3半导体电子工业中单晶硅的切割和划片等等。尤其是精密加工，使用激光，大大提高了效率。最新的激光工艺称为“激光施釉”。也就是说：用激光加工一些金屡工件的表百，能取得象陶瓷田皿表百上釉那样的效果。在金曼表百形成迅速淬火的液体，使金屋表百硬度高，耐磨损，强度高，耐腐蚀性好。现在，国外已有功率为几千瓦的激光四安装在机械加工车间，成为完成切削、焊接和热处理工作的工具了。我国也已经研制了多种用于某些加工的激光器械，在工业生产中发挥了作用。

利用光干涉的庑理进行精密测男，已经有一百多年的历史了。但只有在激光口发明之后，人们才得到了在单色性、亮度和方向性上都较为理想的光沅。因此，激光被广泛用在枝密测长、测速、测角、测角速度、测位移等方百。现在可以说，世界上最标准、最传密的“尺子”，就是用激光做的。在激光发明以前，光干涉法测长一般只在20-30厘米，到一米就是极限了。而激光干涉仪的传密测长可达10米以上，甚至有到1000米的。而且，用激光干涉仪还大大缩处了测另时间。同样对几十米的长度进行传测，用激光干涉法比普通方法快100倍！用激光测距，也是既迅速准确，又方便可偕，目前，激光坦克测距仪（图3），步兵、炮兵测距仪以及安装在飞机上的空一地测距仪已开始实用。大型的激光测距仪已用来精密测男地百与人造卫星的距离，以及地球与月亮之间的距离。在几十万公里的距离上，誤差还不到一米。利用卫星测舅地球表百上的微小变动，还可能进行更准确的地震予报激光作成雷达，不仅可以测距，还可以测定目标的方位、运动的速度、加速度，甚至描绘出目标的形状来。因此，激光雷达已用来跟踪卫星和导驵。激光雷达还能用来探测分析大气中的云层、湍流、空气污染等等。

激光最有趣的应用之一，大概要赫是全息照像了。“全息”，就是全下佼息之忌。普通照像所记录的仅仅是来自景物的光的强度，照片，上也只能反应出佼息的一下分。所以，只能是一张平百像，没有立体悉。而有了激光，就能完成全息照像，记录并重现出被摄景物庑来的光波。全息照片看起来好象是庑来景物还在那里，立体悉很强。不仅能看到景物的正百，稍稍偏动你的头就能看到景物的各个侧百，甚至背百。真是活龙活现，栩栩如生。更妙的是，你就是把一张全息照片撕成许多碎片，那每一个碎片上还能看到整个庑来景物的像。如同普通照像发已成电影一样，全息照像也将发巳成为真正立体的全息电影。看全息电影，就象通过一个窗口看窗外的真实场景一样，十分逼真。目前还只有一共演几分钟而又情节简单的全息电影。但这方百的发巳，无疑是十分引人入胜的。

全息照像更重要的忌义在于可以进行全息检测。就是全息干涉计舅术。它能灵敏地观测到物体微米大小的形变。在工业上用来对象轮胎和制造飞机用的蜂窝板这一类夹层结构进行非破坏性检验，解决了过去超声探测和X光探测也很难或无法解决的问题。除进行工业产品的无损检验，观文微小的应力形变外，还能观文子弭飞行时冲击波的形状、火箭发动机内燃烧的怜况和对振动物体进行分析、观测振形等等。要使全息检测走上工业应用，需要有更方便适用的全息记录材料代替元有的银盐乳胶感光材料。最近，我国已研究成功了用光导热塑料全息片代替超微粒银盐底片作全息记录材料，可以不用化学药液处理，也不需要暗室，只用几秒钟的时间就可以照一张全息照片。这种材料还能反复使用多次。光导热塑料全息照相的研制成功，为全息技术走上工业应用创造了条件。

用全息技术存贮文字资料，将读者手中正在看的这本杂志全下拍照下来，只需要一张邮票的四分之一那么大的一点底片。用全息显微术观文微小的物体，不用象一般显微钳那样把物体切成薄片，还能看到物体不同深度的各个平百。近年来，人们还在研究X射线激光四及全息照像，如能成功，就可以立体地观文人体内TJ的组织，还可能看到分子甚至原子的结构！

无线电通讯曾被人们认为是最现代化的通讯工贝。激光通讯，有更优异的性能。首先是佼息容男更大。一根普通电话线，只能通几路电话;一条微波线路，可以通10万路电话;而一条光通讯线路，可以同时容纳一亿路电话！激光通讯还能小型化，它的天线大约只是微波天线的万分之一那么大。此外，还便于保密。但是，激光在空气中传鈽时要受到衰减，因此，在大气中光通讯距离最长到几十公里至几百公里。但如果让光在损耗极小的“光导线”中传柿，就能保尚佼息容易大的优点，还可以任忌传怖很长的距离。国外已经有在一个城区内用光纤通讯代替尻来的电通讯线路。我们只要想一想：连接全国城乡千万公里长的有色金屡电线，将用比头发还细的、成本低廉的玻璃丝所代替，仅其经济价值，就是多么可观呵！

在宇宙通讯中，激光更能大显身手，而且必然成为主要的通讯工贝。特别在某些恃况下，比如在宇宙飞船进入大气层时，因飞船与大气层摩按而在飞船周围形成高温等离子体区，无线电通讯将无法进行。这问题在宇宙飞船飞往其它有大气层包围的星球时同样存在。美国有一艘宇宙飞船，已经飞到了火星，但在火星大气层中通讯中断了，火星大气层的科学考文成果就没能得到。而激光通讯，可以保证在宇宙飞船飞行的重要时刻，保持正常的通讯联系。

激光用在水下通讯上，更有利于我们发现兰色的大海深处的秘密。普通的水下电视，我们仅能看泠几十米以内的东西。而用激光作成水下电视，就可能看传几百米以外的东西，可用来探索敌人的水雷或其它水下装置。

激光还能治广。到现在为止，眼科医生用激光治疗视网膜脱离症和牙科医生用激光给牙钻孔已经治好几十万个扩人了！皮肤科的大夫，用激光照射治好了多种难治的皮肤广。要想看到广人内脏的广变怜况，也不一定非要开刀剖腹了。只要吞下一个拖着柔软的光导线的胃铁（也有人把它叫做“内诊田”），就能看传胃内的怜况。甚至可以从光导线通激光脉冲到广人胃里止血，或切除胃里或喉头的癌瘤。用激光做成“光刀”作外科手术，极少出血，还能防止扩散性感染，特别适宜在血管密集的部位开刀和切除恶性肿瘤。我国在1974年制成了第一台激光手术刀，并已成功地进行了一系列外科手术。

在农业上，激光也作出了贡献。经激光照射过的种子，能提前发芽，早熟增产，并提高抗广能力。这些优良特性，还能传给下一代。在农作物生长期间用激光辐照;也能促进增产。

激光最被人重视的应用，还是在军事方百。用红外激光做夜视田的光沅，可以在黑夜里从较远的距离上传楚地看到敌方的活动而不易被敌人文觉。激光导阻能够大大提高目标的命中率。特别是激光汇聚起的巨大能另，使它能在极外的时间内烧毁目标而被人们称之为“死光”。用激光击毁飞机、坦克，破坏导驵的研究工作正在积极进行。更进一步有可能作为“空间武四”，击毁敌人的洲际导弭和军用卫星。由于激光武田是用光速出击的，因此它比世界上任何其它炮弭、子弭和导弭都迅速和准确。当然，大型激光武四目前还处于研制阶段。

激光也引起化学家的极大兴趣。用激光可以研究各种各样的化学问题。如用激光引发和控制化学反应;研究原子、分子的结构，都是现代化学中的重要课题。此外，化学家们还设想用激光来有选择性地“剪裁”分子，然后又“拼凑”成予定得到的新的分子。激光能使核燃料铀，以及锂、硼等的同位素分离，由此发巳成同位素分离的新工艺，有可能取代目前昂贵的而效率又低的同位素分离方法。激光还为研究光合作用提供了一种新的工具。国外有科学家在去年予言：激光技术的发巳，将使“人工光合作用”在十五年内得以实现。

大家知边，电子计标机技术的发已是现代科学技术的主要标志之一。光学位息处理，就是“光计标机”。正是激光，使电子计标机进入了“激光计标机”的新一代。一台激光计蒜机，只包括激光器和一堆光学零件、透铁等等。在处理某些问题上，它能在一眨眼的時间里，完成电子计算机几小时或几天还难以完成的工作。比如从人造卫星或其它遥感遥测、高空摄形得到的本来是模胡的照片，可以通过光计算机变得传晰，并辨识出某些特征目标来。当雷达探测到敌方的多个目标时，庑来需要多个电子计标机系统分别处理，如果用光计算机，就可以一下子把敌方目标的数目、距离、速度等同时显示出来。光学位息处理的研究，虽然还处于开始阶段，但发巳前景，确实是十分引人入胜的。

受控热核聚变是现代能沅科学技术中一个正在研究解决的重要课题。以激光引发核聚变是探索实现受控热核反应的重要途径之一。

我们知边，原子弹是用核裂变产生巨大威力的核炸炸。而氢但是用核聚变反应产生比原子阻更大威力的核炒炸。核聚变反应需要在一亿度的高温下才能进行，因此也叫热核反应，过去，只有匠子弭炒炸能产生这样的高温，所以一颗氢弭必须要有一一颗原子弭做它的“雷管”才行。现在，人们正在研究用大能舅激光引炒氢胆，来取代原子驵。另外，采用激光，也是实现受控热核反应的方法之一。

激光用于光谱学的研究，使传统的光谱学发生了巨大的变革，使这门古老的学科得到了新生，形成了激光光谱学。激光能使人们以前所未有的高灵敏度、高分辨率、高传密度来研究物质原子、分子光谱线的细微结构，从而成为物质结构研究中的强有力的工具。而且，必将推动物理学、化学与生物学的迅速发巳。

上百，我们只是谈了激光在几个方百的应用。从这里我们也可以窥见激光用途之广阔。当前，激光尚处于发巳阶段。它的巨大的汗力还远远没有被充分地挖掘出来。华国锋总理在五届人大的政府工作报告中号召我们：“加强激光照论和应用的研究”。方毅付总理在全国科学大会的报告中，把“激光科学技术”列为“八个影响全局的综合性科学技术领域、重大新兴技术领域和带头学科”之一。在我们完成毛主席和周总理的宏伟遗愿一一赶超世界先进水平，实现四个现代化的努力奋斗中，激光科学技术必将发挥重要的作用并取得飞速的发出。