探秘激光

周軍

60年前，美國物理學(xué)家西奧多·梅曼宣布世界上第一臺(tái)激光器誕生。這種顏色鮮亮、始終會(huì)聚在一起的光，成為人類在20世紀(jì)繼核能、電腦、半導(dǎo)體之后的又一重大發(fā)明。

60年來，激光被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，被稱為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”，甚至有人將激光與太陽光并列，認(rèn)為它已成為人類生活中的重要部分。在人類走向未來世紀(jì)的路途中，激光還將承擔(dān)起更多重任。

談起激光，人們首先想到的可能是科幻大片中的激光武器，或是現(xiàn)代醫(yī)療中的激光手術(shù)刀，工業(yè)體系中的激光切割、焊接等。那么，激光究竟是如何產(chǎn)生的？它又有怎樣與眾不同的特點(diǎn)，使它在近代光學(xué)中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷？

激光的問世，離不開物理學(xué)泰斗愛因斯坦的貢獻(xiàn)。1917年，他提出光的“受激發(fā)射躍遷理論”——普通光源自發(fā)輻射隨機(jī)產(chǎn)生的光子如同散漫的平民，而受激輻射發(fā)射的光子猶如一支紀(jì)律嚴(yán)明的“軍隊(duì)”，即光子的發(fā)射方向相同、波長相同，進(jìn)而大幅度地提高了光源的亮度和相干性，這就是激光。

目前，激光廣泛應(yīng)用于軍事、科研、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、航天信息以及娛樂生活中。因此，激光與原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體并稱為“20世紀(jì)人類的四大發(fā)明”。

激光由于其高能量、高方向性和單色性，在軍事領(lǐng)域常見的應(yīng)用有激光測距、激光制導(dǎo)、激光雷達(dá)等;在科學(xué)研究中，激光的主要研究方向有超快激光、高功率激光、激光與物質(zhì)相互作用、激光加速器、激光材料、激光化學(xué)等。

在工業(yè)界，激光可用于加工、切割大部分傳統(tǒng)工藝方法無法加工的超硬材料和稀有金屬等，以及3D打印特殊材料物質(zhì)——這些技術(shù)不僅適用于汽車、冶金、電氣儀表領(lǐng)域，在芯片刻蝕、制造中也有廣泛應(yīng)用。

在醫(yī)學(xué)界，激光技術(shù)同樣獲得了廣泛應(yīng)用。1960年，世界上第一臺(tái)紅寶石激光器研制成功。次年，紅寶石激光視網(wǎng)膜凝固機(jī)在眼科獲得首次應(yīng)用。到目前為止，臨床上使用的激光醫(yī)療設(shè)備已有幾十個(gè)品種，橫跨基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床診斷和治療等領(lǐng)域。

在航空航天、信息技術(shù)等領(lǐng)域，激光基于其通信頻帶寬、光通容量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)開始逐步替代無線電通信。

在娛樂生活中，同樣處處可見激光的身影，如激光投影、激光音樂噴泉、激光彩色內(nèi)雕等。激光已經(jīng)融入人們的日常生活，成為不可或缺的重要工具之一，為人類生產(chǎn)和文明進(jìn)步作出了重要貢獻(xiàn)。

目前，激光冷卻技術(shù)能夠達(dá)到的最低溫度低于零下273.14℃，比傳統(tǒng)的磁致冷和稀釋制冷的溫度低四個(gè)量級(jí)，已非常接近絕對零度。

此外，激光還被廣泛應(yīng)用于通訊領(lǐng)域。近年來，大家耳熟能詳?shù)牧孔油ㄓ嵑土孔佑?jì)算機(jī)領(lǐng)域都離不開激光技術(shù)。目前，所有量子通信網(wǎng)絡(luò)中都必須依靠激光通信作為載體來輔助產(chǎn)生、傳遞、發(fā)送信號(hào)。

說起人工降雨，我們并不會(huì)感到陌生。在干旱的季節(jié)，為了滿足農(nóng)業(yè)的雨水需求，人們常常會(huì)用飛機(jī)或者高射炮向云中播撒碘化銀等催化劑，它們可以在云中形成凝結(jié)核，使云中的水氣聚攏凝成水滴或冰晶，當(dāng)水滴達(dá)到一定的重量時(shí)，便會(huì)向下墜落，形成降雨。

過去的50多年里，人們一直在使用這樣的方法來進(jìn)行人工降雨，但是這種催化降水方式的效率同云層中本來含有多少水分息息相關(guān)，因此很難預(yù)測。另外，碘化銀分子通過這種方式進(jìn)入大氣，會(huì)不會(huì)給環(huán)境造成不良影響，我們也很難判定。

科學(xué)家直接用激光射擊云朵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只要云朵本身含有的水分較多，就能成功地形成降水并增加降水量。

激光誕生60年來，已完全融入人類生產(chǎn)生活的方方面面。激光的發(fā)展還在繼續(xù)，我們有理由相信，未來激光的廣泛應(yīng)用會(huì)讓人類生活得更加美好。