最亮的光、最準的尺、最快的刀

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(shù)、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(fā)明。什么是激光呢？原來組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)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(fā)，會從高能級跳（躍遷）到低能級上，輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個弱光激發(fā)出一個強光的現(xiàn)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(fā)輻射發(fā)出的光，不具有相位、偏振態(tài)、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(tài)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(zhàn)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(yè)生產(chǎn)、通信、醫(yī)療衛(wèi)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(fā)射的光束在月球上產(chǎn)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(fā)光，大量光子集中在一個極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度自然極高。

最準的尺——普通光源向四面八方發(fā)光，而激光定向發(fā)光，朝一個方向射出，光束的發(fā)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(nèi)。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(yōu)點。激光測距儀應用到火炮系統(tǒng)，提高了火炮射擊精度。激光雷達相比于無線電雷達，發(fā)散角小，方向性好，測量精度大幅度提高，且不存在“盲區(qū)”，適宜跟蹤測量。

最快的刀——激光以光速傳播，速度極快。用于醫(yī)學診斷與治療，解決了醫(yī)學中的許多難題，為醫(yī)學的發(fā)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(shù)、激光美容術(shù)（去皺、治療黃褐斑等）、激光纖維內(nèi)窺鏡手術(shù)、激光胸腔鏡手術(shù)、激光碎石術(shù)等。激光手術(shù)有傳統(tǒng)手術(shù)無法比擬的優(yōu)越性，激光手術(shù)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(shù)切口小，術(shù)中不出血，創(chuàng)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(xiàn)象領(lǐng)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(fā)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(shù)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(xiàn)激光切割和打孔。激光切割技術(shù)是擺脫傳統(tǒng)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(chǎn)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(yè)。在軍事中，激光武器是利用定向發(fā)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(zhuǎn)向靈活、可實現(xiàn)精確打擊、不受電磁干擾、沒有任何發(fā)射性污染等優(yōu)點。激光產(chǎn)品已成為現(xiàn)代武器的“眼睛”和“神經(jīng)”。飛秒激光在超強領(lǐng)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(fā)射某一種顏色的光為單色光源。如氖燈只發(fā)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(fā)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(shù)已融入我們?nèi)粘Ｉ钪校磥須q月中，激光會帶給我們更多的驚喜與奇跡。

讓我們一起來做小實驗吧

[器材]

臉盆、激光筆、水杯、空礦泉水瓶、剪刀、膠帶、鏡子、刀片、頭發(fā)絲、牙膏盒

1[全反射]

空礦泉水瓶底部側(cè)壁開個孔，用水杯做支撐物調(diào)好高度。手堵住小孔，往瓶中注滿清水，激光筆穿過水瓶照向出水口，松開手指，觀察到彎曲的水流紅亮亮的，光在水流中發(fā)生了全反射。

2[衍射]

一根頭發(fā)絲固定在牙膏盒側(cè)面，正反面開正對兩孔。激光未對準發(fā)絲時，墻壁上只有亮斑。激光對準發(fā)絲時，墻壁上出現(xiàn)明暗相間的條紋。鏡子背面鍍鋁面用刀片劃出單縫，激光對準單縫，墻壁上出現(xiàn)明暗相間的條紋，中央亮紋最寬最亮，兩邊對稱亮度逐漸減弱。

3[干涉]

鏡子背面鍍鋁面用刀片劃出雙縫，激光對準雙縫，墻壁上出現(xiàn)明暗相間等距條紋。