小小激光筆,或致大災禍
———記激光器誕生60周年

◇ 北京 程 帥

很多老師在講課時都離不開一只小小的激光筆,輕點一下按鈕,即可射出一道筆直的光束,照射在PPT上,亮點清晰可見.然而,這小小的激光筆竟可能導致大災禍.寧波一名12歲男孩在鏡子前擺弄激光筆,誤將激光照射到自己的眼睛上,導致視網膜嚴重受損,接近失明.2013年,埃及開羅的示威游行者甚至用激光筆驅趕了武裝直升機.一只小小的激光筆為何有這么大的威力呢?這還要從激光的原理說起.

1 激光的原理

處于低能級的粒子在受到光子激發時會躍遷到較高能級,即受激吸收.而處于較高能級的粒子也可以自發地釋放光子而躍遷到較低能級,即自發輻射.這時發出的光只是普通光,光子的頻率和相位也是隨機的.1917年,愛因斯坦進一步提出原子在受到光子激發時不僅可以躍遷到較高能級,同時會引起粒子從高能級躍遷到低能級,并且釋放出兩個與外來光子具有相同頻率、相位、偏振態和方向的光子,稱為受激輻射(如圖1).

圖1

設想如果有很多光子參與激發,粒子會產生從低能級到高能級以及高能級到低能級的反復躍遷,從而釋放出成倍相同特性的光子,使得原本的光信號被放大,我國物理學家錢學森把這種現象命名為激光.

2 激光的特性

2.1 定向發光

由于普通光源是向四面八方發光的,所以生活中要想得到一束平行光,通常需借助凹面鏡等類似的工具先將光聚集,再發射出去,而這樣的光傳播到一定距離之后就會散成一片,因此往往照不遠.而激光是由很多性質相同的光子構成,朝同一個方向傳播,是不相干光,光的發散度極低.一只普通的激光筆可以照射幾千米遠.1962年,科學家用激光照射38萬千米外的月球,到達月球后的光斑直徑不足2千米.

2.2 亮度極高

由于構成激光的光子性質相同,且這些光子是在極短的時間內迸發出來,被束縛在一定范圍之內,照射到一個極窄的空間上,因此激光的亮度極高,可以達到太陽光亮度的百萬倍以上.這樣的光照射到飛機上會嚴重影響駕駛安全,許多國家都規定了禁止用激光照射飛行器,嚴重者會被罰款甚至判刑.

2.3 顏色極純

光的顏色由光的波長決定,太陽光波長分布在0.76μm～0.4μm,不具有單色性.單色性最好的氪燈發射的紅色光波長范圍也要到10－5nm,而激光的波長分布在一個很窄的范圍內,可以達到10－9nm,是氪燈發射的紅光波長的萬分之一,因此顏色極純.我們肉眼看到的激光往往只是綠色或者紅色的單色光,不摻有其他顏色.

2.4 能量極高

光子能量E＝hν,h為普朗克常量,激光的頻率ν可以達到3.846×1014Hz～7.895×1014Hz,可見激光的能量很高.若激光照射到眼睛,可以在瞬間燒毀視網膜上的黃斑區,導致視力下降甚至失明.所以在使用激光筆的時候,切記不能照射他人的眼睛和皮膚.激光作為光的一種,在真空中的傳播速度為3×108m·s－1,自誕生以來就被賦予世界上“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”等稱號.

3 激光的應用

1960年7月,物理學家西奧多·梅曼制成了世界上第一個激光器——紅寶石激光器.自此,激光促生了很多科研成果,例如激光武器速度為洲際導彈的幾萬倍,可以在幾秒鐘內直達世界任何角落,未來很有可能取代火炮.另外,借助激光的特性可以實現激光制導、測距、雕刻、切割(如圖2)、美容、治療靜脈曲張,實現光纖通信和全息成像技術等.在城市的夜空,用激光光束照向天空(如圖3),可以排布不同的圖案,給人一種科幻美感,為城市的夜空增添一分靚麗.

2018年諾貝爾物理學獎一半獎金頒給了美國科學家阿瑟·阿什金,獎勵他發明了可以操縱原子的光鑷(如圖4),又稱單光子束粒子阱.生活中的鑷子可以借助手施加的力夾起有形的物體,而要夾起原子、分子絕非易事.光在照射到物體表面時會發生反射和折射,同時給物體一個壓力,稱為光壓.普通光的光壓很小,而激光可以提供足夠的光壓,在與粒子相互作用時產生把粒子推向中心的力,達到鉗住粒子的效果,移動光束,就可以實現遷移粒子的目的.

圖2

圖3

自激光器誕生以來,與激光相關的諾貝爾獎有十幾項,包括1971年的全息技術、1997年的激光冷卻、2009年的光纖通信等.2020年是激光器誕生60周年,相信未來科學家會在激光領域有更大的發現.

圖4