最快的刀、最準的尺、最亮的光···這束神奇的光已問世六十年
2020年10月21日16:02

  來源:科普中央廚房

  AppleiPhone12配備激光雷達,成為一大亮點。激光已經誕生60年,為何稱它為“最亮的光”“最快的刀”和“最準的尺”?

  六十年前的1960年5月16日,美國年輕的物理學家梅曼成功研製了人類歷史上第一台激光器——紅寶石激光器,它能產生頻率單一、方向高度集中的光。它是20世紀能夠與原子能、半導體及計算機齊名的四項重大發明之一,對人類社會的發展產生了深遠的影響。

  為了紀念這一重大的歷史事件,2018年聯合國教科文組織宣佈:將激光的誕生日,即每年的5月16日定為“國際光日”。

國際光日(圖片來自網絡)
國際光日(圖片來自網絡)

  神奇的激光

  激光是什麼?它為何具有如此重要的地位?

  激光是利用某些物質原子中的粒子受激發而發出的光,它與普通的光有所不同,其輻射出的光波具有相同的位相、頻率和振動方向。激光的英文名稱叫“Laser”,是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 每個單詞首個字母的縮寫,如用中文加以解釋,就是“受激輻射的光放大”, 這實際上也反映了激光器的工作原理。

  激光有別於普通光源,主要體現在三個方面:首先,激光方向性好,能量高度集中。普通光源發出的光是發散的,面向四面八方,而激光的發散角極小。據稱,人類曾在20世紀60年代使用過激光來照射月球(月球上的反光鏡是美國登月時留下的)並返回地球,結果在月球表面上顯示的光斑方圓不到2千米。另外,正因為激光發出的光子能集中在一個極小的空間內,所以能量密度極大,故強激光甚至可以產生上億攝氏度的高溫。

  其次,激光單色性好。普通光源發出的光波長範圍很寬,它不是真正意義上的單色光。而激光則不同,因為它是受激輻射的光放大,因此它所發出的所有光子與外界激發它的光子是一模一樣的,故激光的波長範圍很窄。

激光的顏色純(圖片來自網絡)
激光的顏色純(圖片來自網絡)

  最後,激光的相乾性好。普通光源發光機理是自發輻射,不同原子產生的自發輻射光在頻率、偏振方向及傳播方向等方面都不相同,且雜亂無章;而激光則不同,它的工作機理是受激輻射,因此所有光子與外界激發它的光子無論在頻率,還是偏振方向和傳播方向上都是相同的。

激光的相乾性好(圖片來自網絡)
激光的相乾性好(圖片來自網絡)

  所以,激光的相乾性很好,當用於光的干涉實驗時,則很容易觀測到干涉條紋,例如2016年探測到引力波的試驗裝置使用了邁克爾遜干涉儀,它所採用的光源就是激光。

  “激光”的中文名來自錢學森

  那麼又是誰把激光器的英文名稱叫“Laser”的呢?

  他的名字叫戈登·古爾德(Gordon Gould )。古爾德在第二次世界大戰快結束時畢業於名校耶魯大學,並獲得光學和光譜學碩士學位,隨後就去參加了製造原子彈的“曼哈頓計劃”。

  1949年古爾德進入哥倫比亞大學攻讀博士學位,他的導師庫施(Kusch)很厲害,他曾因測量電子的反常磁矩而和蘭姆共享1955年諾貝爾物理學獎。

20世紀50年代,戈登·古爾德(左)在做微波激光實驗。(圖片來源:ESVA/AIP/SPL)
20世紀50年代,戈登·古爾德(左)在做微波激光實驗。(圖片來源:ESVA/AIP/SPL)

  古爾德博士論文的題目是關於鉈的光抽運實驗來研製微波激射器(Maser),於是他就和發明Maser的同校教授查爾斯·哈德·湯斯交談過多次,共同的興趣使他們走到了一起。古爾德做夢都想成為一名發明家,於是他主動放棄了博士學位,加入到了一家小公司,他試圖說服這家小公司研製激光器(實現比微波波長更短的範圍內的光放大),這家小公司一方面用古爾德的方案去向軍方申請專利,另一方面用他的方案去向軍方申請經費30萬美元。

  有了經費以後,古爾德就開始了激光器的研製。他把自己關在寓所里,苦思冥想激光器的研製問題,最終認識到必須要用法布里-珀羅諧振腔才能產生相干光。他對諧振腔也進行了理論推算。雖然沒有湯斯和肖洛的理論嚴謹,但思路卻更廣。

  於是他把整理出來的東西抄在實驗室用的筆記本上,標題就是“Laser(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)”, 然後他跑到一家煙雜店,請店主作公證:在裝訂好的九頁紙上籤名蓋章,古爾德自己也在上面簽了字。作為報答古爾德還在此店買了一條香菸。

  1958年,在一次學術會議上,古爾德亮出他在1957年的筆記本上的標題:Laser。這引起了會議主席阿瑟·肖洛的反對,但大多數與會者認為湯斯和肖洛的“光學Maser”叫法彆扭,並且不符合邏輯,怎麼既有光學又有微波?於是把這種器件叫做“Laser”,這就是英文“Laser”形成的由來。

  “激光”這個中文名詞,不是譯音,也不是外來語,在我國造出第一台激光器之後的頭幾年,也沒有這個詞,當時人們把 “Laser” 稱之為“量子放大器”“萊塞”“光受激發射”等等,但大家都感到很繞口。

  1964年10月,中國科學院長春光機所主辦的《光受激發射情報》(其前身為《光量子放大專刊》)雜誌編輯部致信我國著名科學家錢學森,請他為Laser這種新光源取一個中文名字。錢學森教授很快便回信並建議:“光受激發射這個名詞似乎太長,讀起來費事,能不能改稱為激光?”

錢學森資料圖(圖片來源:視覺中國)
錢學森資料圖(圖片來源:視覺中國)

  同年12月,上海召開第三屆光量子放大器學術會議,這次會議由著名科學家嚴濟慈主持,會上討論了激光器的取名問題,正式採納了錢學森的建議,將“通過輻射受激發射的光放大”的英文縮寫Laser正式翻譯為“激光”。隨後,《光受激發射情報》雜誌也改名為《激光情報》。此後,便有了“激光”這一名詞。

  中國大陸以外的華人世界,有把“Laser”翻譯成“鐳射”的,音是近了,但卻使人誤解與放射性鐳有關。

  “最亮的光”“最快的刀”和“最準的尺”

  自1960年激光器發明後,激光因其亮度極高、能量極大、顏色極純和方向性好這四大特性,在日常生活中,比如照明、切割、醫療、軍事上得到了廣泛的應用,被人們譽為“最亮的光”“最快的刀”和“最準的尺”,成為20世紀具有標誌性意義的技術進步之一。

(圖片來自網絡)
(圖片來自網絡)

  激光最大的用途可以說是運用於光纖通信了。大家知道,人類要想實現光通信,必須解決兩個難題: 一是要有一個好的符合要求的光源,二是要有一個穩定又理想的傳輸介質。梅曼發明激光器之後,一種新的光源——激光就誕生了。由於這種光源具有良好的特性,亮度高、方向性好、單色性好,可以用來作為光通信的載波,這在很大程度上解決了過去很長時間里一直困擾研究人員的光源問題,使得長期停滯不前的光通信揭開了新的一頁。

  光纖通信是指攜帶信息的光波(通常是激光),以光導纖維為傳輸媒質的光通信。光纖通信具有許多特點,主要體現在“大”“好”“省”“長”“遠”等方面。“大”即通信的容量大,從理論上講,利用只有頭髮絲細的一對光導纖維可以同時傳送20億路電話和1000套電視節目。“好”即通信質量好,保密性能好,在光導纖維中傳播的光既不向外漏泄,也不發生干擾。“省”能節省大量昂貴和稀缺的有色金屬,光纖是由天然石英經過高度提純後拉製而成,成本低廉。“長”即使用壽命比較長,光纖線路典型壽命是25年,比衛星壽命還長。“遠”即直通距離遠,光波在光導纖維中傳輸,能量衰減較小,而沒有中繼器的直達通信距離僅為10公里以上。

  激光還可以運用於測量領域。測量是一項極其重要的活動,能測到更細微的領域,也就能發現新的世界。

中國科學院實現國內首次月球激光測距(圖片來源:中科院雲南天文台)
中國科學院實現國內首次月球激光測距(圖片來源:中科院雲南天文台)

  我們可以利用X射線激光來揭開蛋白質的神秘面紗。通過X射線衍射法可間接地研究蛋白質晶體的空間結構,幫助人們從原子的水平上瞭解物質。

  2018年諾貝爾物理學獎獲得者,美國物理學家阿瑟·阿斯金(Arthur Ashkin),他的成就就是光學鑷子在生物系統中的應用。有了光學鑷子,我們就有了更好的測量工具,在不接觸被測物體的情況下,可以三維立體地觀察極細微的物體,這些物體可以是沒有生命的分子,也可以是構成生命基礎的蛋白質和DNA。依靠這項技術,我們可以更加深入地揭開生命的奧秘。

  利用激光方向性好的特點,我們可以把激光運用於醫療。 激光手術以激光代替傳統手術器械,對生物組織採用分離、切除、銲接、打孔等手段來去除病灶,吻合組織、血管、神經等。由於激光是聚焦非常精準的高能量單色光束,因此激光手術具有許多獨特的優勢,比如對周圍正常組織損傷很小,並且止血快,止血效果好,甚至有望達到手術中極少出血或無出血的效果。手術後,傷口癒合快。

激光手術(圖片來自網絡)
激光手術(圖片來自網絡)

  2018年諾貝爾物理學獎的另一半獲獎者則是熱拉爾和唐娜,兩位科學家提出了製造高強度、超短波脈衝激光的方法,即他們製造出了超強脈衝激光。通過這種超強度脈衝激光,我們可以把它用於眼科改善近視的治療,用這種超短波激光做手術好處很大。

  未來,激光還可以用於驗證真空的量子電動力學效應。按照經典的物理描述,真空通常被認為是一個完全空白的空間,但是根據量子電動力學的原理,實際上真空中充滿了不斷出現又不斷消失的虛粒子。它能不斷地產生正物質和反物質,真空不是空的。利用超高強度的激光,我們可以開啟對真空的探索之旅,在超強激光的光場作用下,真空變成了有東西存在的空間,因此通過激光可以來驗證真空的量子電動力學效應。當然前提必須要有一個超高強度的激光器。

  激光應用:飛入尋常百姓家

  激光走進了人們的日常生活,同時也加速了人類社會前進的步伐。除了軍事應用,激光也有望在人們日常生活和工作中扮演更加重要的角色,例如激光電視等。

  一架空軍戰鬥機搭載高能激光器的藝術想像圖。

(插圖:Nicholas Violoa/Infoscitex/USAFRL)
(插圖:Nicholas Violoa/Infoscitex/USAFRL)

  什麼是激光電視? 激光電視是採用激光光源,並配備專業抗光增益屏來收看廣電節目,點播互聯網內容的第四代電視。

  相比於第一代黑白電視、第二代彩色電視、第三代數字電視,經過三次技術的迭代,激光電視將使用激光光源的數字光處理(DLP)技術和電視技術結合形成第四代電視顯示技術。其中DLP技術還於2015年榮獲奧斯卡科學技術獎。

激光電視(圖片來源:視覺中國)
激光電視(圖片來源:視覺中國)

  激光電視的工作原理其實很簡單,光源採用極高功率的激光光源,如紅、綠、藍三基色固態激光器,或單色固態激光器激發螢光粉發光光源,或用固態激光器結合LED作為系統基色或混色光源,在每平米聚集了超過100瓦的光能量。激光器發射出特定波長的光線,光線經過光束整形或經過顏色轉換後,進入成像系統。 成像系統一般對光源所發出的光線進行整形,並且採用DLP技術或LCOS技術(一種採用有源點陣反射式液晶顯示技術)進行微顯示及圖像顯示。

激光電視工作原理(圖片來自網絡)
激光電視工作原理(圖片來自網絡)

  激光電視必須有一個高速旋轉的螢光粉色輪,在色輪上分段塗上不同顏色的螢光粉,當色輪高速旋轉的同時,就可以實現不同基色光的發射,這樣我們就可以看到五顏六色的彩色畫面了。

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