Physics 版 (精华区)

发信人: cs (cs), 信区: Physics
标  题: 漫谈激光--王大珩
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年04月17日18:47:02 星期二), 站内信件


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漫谈激光
王大珩
　
一、激光的特性         (待校对)
自从1960年世界第一台红宝石激光器问世以来，已经35年
了。激光作为20世纪下半世纪一项重大发明而被世界各国列为几
项重点发展先进技术之一。这期间不但发展了多种多样的激光
器，形成了激光物理及技术等专门的新兴学科，而且得到国民经
济和科学技术研究的广泛应用，若干门类已形成了新兴产业，生
产前景正处于发展时期。激光唱盘唱机、激光医疗、激光加工、激
光全息防伪商标、激光照排印刷等等都已成为大众熟知的名词、
产品和手段，以至用来作为文化娱乐的点缀光柬，过去科幻小说
里的“死光”现已成为现实。
激光之所以得到迅猛发展，是由于它作为一种光源，具有前
所未有的性能，从而可以有效地利用作为前所未有的或用高昂方
法和手段才能得到的效益和效果，从而促进了生产技术和国民
经济、科学技术的发展和进步，不少已具有时代发展的意义。例如，
利用激光照排制版，加上电子计算机的程控排版，正在改变着多
少年来活字排版的繁冗劳动，成为印刷行业的一大革命。用激光
进行发动机汽缸内壁的表面热处理，大大增强了汽缸的耐磨性，从
而延长厂汽缸的使用寿命。用激光进行人造卫星测距，能够精确
地了解地球的整体形状以至于能测量出地球版块的运动，后者是
与预测地震有着密切关系的，等等。
激光与普通光（这里所说的普通光指日常生活中所见的太阳
光，夜间照明用的白炽灯及用电激励气体发光及荧光等）相比，有
四大特色： （1）方向性：普通光源的发光无方向性，而激光的发
光可以限制在几个毫弧度立体角甚至更窄小的角度范围，这就使
得在照射方向上的照度提高了4#  X10(3*2)=107(10的7次方)即千万倍。 （2）
高亮度：激光之所以有强的破坏能力是由于其本征亮度（在光照
射方向），这是光与物质相互作用有非凡效果的决定因素。一般太
阳光亮度大约是103瓦／厘米2。
球面度，而大功率激光器的输出
亮度可达10…一10＝，瓦／厘米：，
球面度，即是说可以高出7到14
个量级。（3）单色性：由激光辐
射的能量，通常集中在十分窄的
光谱波段或频率范围内，一般实
：验室是用的光谱单色灯，单色性
V小～10’，而激光可高达10＝。～
10”，因此利用现今已有的波长
可调的激光装置可以做成波长分
辨率极高的单色仪，可用来测量
在不同条件下产生原子和分子光
谱的谱线宽度。 （4）高相干性：基
于激光具有高方向性和高单色性
的特点，由激光所产生的波列有
高度的整齐性，就如同一列行进
的队伍虽然形成长蛇的阵势，但
仍有整齐的间隔，这导致激光波
通过光学干涉仪的装置，可以使
波列前后，尽管有大的光程差，仍
能相干涉。利用普通光谱光源虽
然也可得到不模糊的干涉条纹，
但干涉程差最好也不会超过半
米，而在激光的情形下，理论上
是无限制的（取决于激光发射频
率的稳定性）。
除此以外，还涉及光子传输
的特点，即在普通的光流中，光
子密集度（指光子在一定窄波长
范围内单位体积单位立体角的密
度）是异常疏松的，而激光光流
的光子密集度极高。前者是
10一‘一10一’量级，而后者可高达
10“一10”量级，而这个量值的差
别决定着光与激光作用于物质的
微观效率。
可以这样来比喻，用普通光
照射物质，有如檬檬细雨落在人
脸上，只是使人有点湿润的感觉，
而用激光照射，则如成吨的冰雹
轰击而来，自然会对物质起破坏
作用。再以斧头劈木板为例，用
普通光照射物质有如用斧背压在
木板上，对木板起不了什么破坏
作用，但是如果用冲击的办法，则
用斧背击木仍可以打出击痕，这
种情况就如用同样能量而形成短
脉冲的激光，其作用显然会完全
不同。如果我们用斧刃来劈木板，
则一下就会破裂，这就犹如激光
集中照射在极窄方向和极小面积
上，它的作用可比喻为斧头敲钉
子进入木板一样。因此，在某种
意义上激光对物质的作用，可以
称得上是一个“光钉子”，如果激
光的频率精确到能够引起原子、
分子间能级跃迁的共振，那作用
就更大了。
二、激光的发现和产生
追溯激光发明的历史是比较
曲折的。物理学家们把产生激光
的机理溯源到1917年爱因斯但
解释黑体辐射的定律。需要说明
的是，理想的黑体辐射，它的光
谱辐射分布及辐射绝对值只是温
度的函数，而与辐射体的物质成
分无关。在黑体辐射中，其原子、
分子或其他微观组成，主要是被
束缚着的电子，一方面接受辐射
电磁场的辐射波而形成能级跃
迁，吸收电磁场的辐射能量，同
时又由于这被激励至高能级的电
子，有两种趋势回跳至低的能态，
一种是自然趋势的跃迁，称为自
发辐射，一种是由于受到外界与
跃迁频率接近的电磁波的影响，
形成诱发性跃迁，称为感应跃迁
或受激辐射。在电磁场中，感应
吸收和受激辐射发生于同类型原
子的能级间的几率是相等的，加
上自发辐射时跃迁，它和周围的
黑体辐射，在一定温度下保持着
平衡的关系。爱因斯但由此所阐
明的能级跃迁与电磁场辐射的关
总论月·漫谈激光163
系，由理论并从基本物理定体上
指出了物质中的粒子因被热作m
或其他激励方式，使其中的粒子
处于不同的能级分布，从而导（
了粒子发光及吸收光的基本规
律。
但是，多少年来，这种感应
受激辐射未能引起光学界的注
意。直到微波波谱学的兴起；无
线电电子学家们在研究微波接收
器时，发明了利用受激原子的感
应辐射，使信号得以放大。
当时要求这种装置必须在低温
下工作，以便较容易地使处于受
激态的粒子数高出处于基态的粒
子数。在入射微波的照射下，才
能使辐射多于吸收，这个基本条
件称为粒于数反转或粒于布居数
反转。这一设施，不但成为提高
微波接收器灵敏度的有力措施
（当时这种放大器称为微波受激
辐射放大器），并且科学家很容易
联想到是否也能用于光学力·面，
因为光本身也是电磁波，与微波
的差别只是频率或波长不同罢
了。
在无线电电子学初期发展的
过程中，有两个重要的阶段性发
展，一个是电磁信号的放大，一
个是利用反馈原理使电磁波形成
振荡，从而大大提高电磁波的输
出，而这种振荡也正是因为有”厂
放大机制才能够实现的，那么，这
种电磁发射系统，如何才能在光
学波段实现呢？这就要求：第…，，
要有光波辐射的放大机制，即需
要能在光波段形成能级跃迁辐射
的粒子数反转。第二，要像微波
那样组成一个光波的共振腔，让
受激辐射促成光波在腔内共振，
使光波电磁场增加到高水平。晌
山一淑光应求
三，要有像微波设施那样，能够
将电磁振荡从腔内导出，这样才
能成为有用的光源。
可以理解，由这种放大、共
振激发出来的光波，将具有微波
的性质，频率的单一性（单色
性）、振荡的连续性（相干性）和
方向性（这是一般光源所不具备
的）。关键问题是在共振腔的辐射
场中，受激辐射放大的能量能够
超过辐射往返于腔间的损耗，才
能从中提取能量。另一个特点是
这个共振腔必须有选频的能力，
由于光波波长短，腔的尺寸远大
于波长，不像微波那样腔的
尺寸是与波长同量级的，因此
需采用高次振荡腔，这就决定了
共振腔需要采取法——白氏干涉
仪的形式。以干涉仪的镜面作为
腔镜，只要让一个镜面是半透明
的，激光就可以漏射出来成为激
光光源。由于我们可以使激光发
射的方向性变得极窄，只要腔内
形成电磁振荡，即使激光输出是
毫瓦级，其输出亮度也会是很可
观的。
根据以上的介绍，概括说来，
一台激光器由三个或四个基本部
分组成。①能使粒子反转的工作
物质。它可以是容有受激粒子及
其载体，如铬离子熔于氧化铝晶
体（红宝石）、掺钛的玻璃体或晶
体（固体型），或液体型；也可以
是能起受激作用的气体离子及其
混合物；也可以是半导体p一n结
对载流子以形成的能级分布等。
②能使工作物质引起粒子布居反
转的激励源或称泵浦源。它可以
是用于固体激光的光泵浦，进行
强光激励，如氖灯；或用于激励
气体的放电源；或在半导体注入
电流等等。③光学共振腔。④在
某些大功率激光器中，从振荡源
射出的激光还要再次经过受激物
质得到放大（放大器）。
产生激光的概念，首先是
1958年美国科学家H，汤斯和
A。L，肖洛提出来的，苏联科学
家普罗霍洛夫和巴索夫也提出了
相同的概念。第一次研制出激光
器则是在1960年由美国休斯公
司的T。梅曼用红宝石作为工作
物质实现的。而先后得到诺贝尔
奖的却是前面的人而不是梅曼。
我国第一台激光器是1961
年9月在中国科学院长春光学精
密机械研究所创制的。所以称为
创制，是因为除了基本原理外，在
结构上完全出于自己的创造，与
梅曼的激光器遇然不同。
起初，科学家把这种装置起
了个类似于微波激射放大的名
字，把微波改为光波，而称为光
激射放大器，英文简称为
LASER，这就是名词的来源。我
国开始时把它称为光受激发射，
后来由钱学森建议改称为“激
光＼这是激光名词的由来。在我
国台湾方面则按LASER的外文
发音称为“镭射”。
自此以后，对激光器的探索
以及在科学和经济上的应用前景
有目共睹。几十年来，在文献上
记载的激光机制及激光器不下千
种。以工作机制来分有气体、玻
璃、晶体、液体、半导体、化学
激发、准分子、自由电子等等；就
功能而言有波长可调谐、连续、单
脉冲、连续脉冲、超短脉冲、高
稳频、强脉冲、参量振荡、倍频、
调0、锁模、高功率等方面；就
激发机制而论有光泵、气体放电、
化学能激励和气体动力，等等。波
长方面长波段已与微波接壤，有
远红外、红外、可见、紫外，直
至最近初见端倪的软调射线激
光。研究激光物理机制，探索新
型激光器，已形成了专门的学科，
激光物理，或因激光发源于电子
技术而称为量子电子学。专业会
议可以国际量子电子学会议（简
称iQEC）为代表，每两年举行一
次，与会学者每次千人以上。美
国与此同时，还召开具有国际吸
引力的激光与光电子科学会议
（CLEOS）。由此可见在国际物理
学界及电子学界的繁荣景况。
我国在中国光学学会及中
国电子学会的倡议和促进下，也
成立了激光专业委员会。自80年
代起，几乎每年都有专业会议，并
且从1980年开始，在中国召开国
际激光会议，每三年一次，现已
开过第四届，在国际上有一定影
响。这也说明我国在激光及有关
新兴学科上的科研成就有一定的
国际地位。有名的IQEC国际会
议，也曾利用在日本召开大会的
机会，在中国上海召开了以激光
材料及激光光谱为主题的国际附
加会议。
关于光与物质的相互作用，
原本是光学的重要组成部分，也
是应用光学的基本依据。然而，传
统的光学由于受光场强度的限
制，相比于现在的激光来说，对
物质的相互作用是微弱的，只起
到微扰的作用，因此只能见到它
的线性效应，比如光在介质中的
传播、光的吸收等等。激光出现
之后，由此显现出来的电磁场场
强，可以达到与物质中电子所处
的电磁场强度相比，因而激光对
物质的相互作用远远超过线性效
应的范围，光于的微观作用也更
加明显，由此出现了许多新的光
学现象，都可以认为是由于非线
性效应所引起的，从而出现了一
门崭新的学科——非线性光学。
最为明显的现象，如电子学技术
中熟知的差频、倍频、和频、参
量振荡等现象在光频段都实现
了，并且得到有效的利用。远不
止于此。过去用普通光进行拉曼
散射实验，需要曝光几个小时以
后才能得出结果，而今用激光进
行实验只要一个脉冲就完成了，
而且出现了受激拉曼散射（这种
散射也具有激光的特性，因此可
以成为产生激光的一种机制）。利
用非线性效应还可以做成光记录
材料，例如光折变材料可对光干
涉条纹或全息条纹进行立体记
录。此外如多光子效应、四波混
频及位相共轭成像都在光学研究
上得到新的应用。为了充分利用
这些非线性光学现象，更进一步
促进非线性光学材料的发展（主
要是各种非线性晶体，近来有机
非线性材料也发展起来了），光孤
子终于实现了。
随着激光科技的进展而发展
起来的另一个学科是激光光谱学
有了新的发展。主要有以下几个
方面： （1）利用可调谐的窄带激
光辐射对原子、分子进行超高分
辨光谱的研究，从而对原子、分
子等能级结构有更深入的了解。
（2）利用超短脉冲激光研究原子、
分子的受激及受激后的运动过
程。（3）利用激光使原子、分子
进入指定的激发态，从而研究在
激发态与物质相互作用的微观机
理，这是一个广阔的微观化学领
域，已形成激光微观反应动力学。
（4）利用激光对原子的饱和吸收
作为激光验频的手段，从而把激
光作为频率和长度的基准。（5）利
用激光对微区激励从而可以进行
微区光谱分析，等等。
为使读者略知激光发展过
程，以下是简要的大事年记：
1916年，爱因斯但的感应辐
射理论；
1950年，光泵；
1951年，核自旋能级反转；
1954年，氨MASER （微波
激射放大器）；
1958年，引人激光（LAS
ER）的概念；
1960年，红宝石激光器；
四能级机制；
He一Ne激光器；
1961年，调0振荡；
1962年，玻璃体激光器；
拉曼激光；
半导体激光；
1963年，N2激光器；
及紫外激光器；
1964年，氦离子激光器；
染料饱和调0；
锁模激光；
C0，激光器；
高温YAG连续振
荡；
电子束激励CdS激
光器；
1965年，化学激光；
光参量振荡；
色心激光；
1966年，有机染料激光；
皮秒脉冲激光；
1967年，激光频率测定；
1969年，亚皮秒脉冲；
1q70年。 TFAO）。澈斗器
荡
光器；
196：
年，化学激光
光参量振荡；
色心激光；
1966年，有机染料激光；
皮秒脉冲激光；
1967年，激光频率测定；
1969年，亚皮秒脉冲；
1970年， TEA CO，激光器
总论记·漫谈激光165
（横向激励）；
Xe2准分子激光
器；
气体动力激光器；
室温连续半导体激
光器；
光激励远红外振荡
CH2h
1971年，环形染料激光器；
1972年，波导激光器；
1973年， DFB半导体激光
器（分布反馈）；
1974年，连续色心激光器；
1976年，自由电子激光；
1980年，光孤子；
1981年，飞秒级脉冲激光；
1982年，阵列半导体激光
器；
1984年，半导体激光泵浦固
体激光器；
m三（）晶体（硼酸
钡）透紫外非线性晶体（中国人
发明）；
自发辐射调射线
放大；
1986年，光纤放大器；
钛宝石连续波长可
调激光器；
1989年， LBO （硼酸钾晶
体）非线性透紫外（中国人发
明）。
三、激光的发展和应用
我国自创制了第一·台红宝石
激光器以来，各种主要有应用前
景的激光器的研制也随着开展起
来。包括调0大功率红宝石激光
器、钛玻璃激光器、掺钦YAG激
光器、He一Ne气体激光器、氖离
子气体激光器、CO2激光器、可调
谐染料及固体激光器、半导体激
光器等。为了跟上国外激光迅猛
器
光器
器
1971年，环形染料激光器；
1972年，波导激光器；
1973年， DFB半导体激光
：分布反馈）；
1974年，连续色心激光器；
1976年，自由电子激光；
1980年，光孤子；
981年
982年
1984年
体激光器；
钡）透紫外：
发明）；
放大；
飞秒级脉冲激光；
阵列半导体激光
半导体激光泵浦固
m三（）晶体（硼酸
：线性晶体（中国人
自发辐射调射线
1986年，光纤放大器；
钛宝石连续波长可
调激光器；
1989年， LBO （硼酸钾晶
体）非线性透紫外（中国人发
明）。
三、激光的发展和应用
我国自创制了第一·台红宝石
激光器以来，各种主要有应用前
景的激光器的研制也随着开展起
来。包括调0大功率红宝石激光
器、钛玻璃激光器、掺钦YAG激
光器、He一Ne气体激光器、氖离
子气体激光器、CO2激光器、可调
谐染料及固体激光器、半导体激
光器等。为了跟上国外激光迅猛
166激光技术
发展的势头，在科学院专门成立
了上海光机所，这是世界上最早
以从事激光研究为主要方向的研
究所。他们在激光基础理论，新
型激光器的研制等方面都取得了
显著的成绩，特别是大功率钛
玻璃激光器进入了世界行列。其
他研究机构也有特色地开展了激
光研究，如大连化学物理研究所
从事高功率化学激光研究，力学
所从事气体动力激光研究，电子
所致力于大功率CO2激光研究，
长春光机所致力于染料可调谐激
光研究，安徽光机所的准分子激
光，物理所的参量激光，计量院
的He一Ne稳频激光，电子部1］
所的固体激光研制， 12所的气体
激光等等都各具特色。地方研究
机构，有上海激光所主攻激光应
用的研究，北京市激光所除进行
应用开发外，还成立了为联合国
承认的激光器质量检测中心。各
高等院校的光学专业如南开大
学、天津大学、北京大学、清华
大学、华中理工大学、哈工大、广
东中山大学、四川大学等也都从
事有关激光科技和应用的研究。
可以说，我国已建立了有一定科
学理论及实践基础，又能从事应
用研究的激光科技队伍，许多成
果受到国际上的瞩目，当前应当
努力的重点是使激光新技术产业
化，以适应我国“发展高科技，实
现产业化”的市场需求并争取进
入国际市场，例如已有中国大恒
集团从事于激光加工的开发与应
用等。为了加速激光科技的发展，
国家在上海光机所还建成了高功
率激光物理联合实验室、量于光
学实验室，在华中理工大学建立
了激光开放实验室和工程开发中
，
下面就激光作为新技术在国
际上的发展以及我国的进展情况
作一概述。
（一）高强激光的应用
1；激光加工
利用激光照射到被加工物上
的能量在暂短时间内的高度集
中，可以瞬间使物质熔化和气化，
用这种方法来进行钻孔、切割、焊
接，解决了坚硬、难熔物质的加
工困难，而且加工速度快。激光
加工更适于对精密件的操作，因
为在热传导及热应力尚未来得及
传播到加工点外围的时候，加工
已经完结，这样就大大减轻了因
热效应而引起的工件变形。
用激光进行工件表面的热处
理，使表面形成薄层的液化速凝
层，从而增强了表面的硬度和强
度，大大提高了表面的耐磨性。例
如将原来的气缸内壁进行激光表
面处理，可使气缸的寿命成倍提
高，这种工艺国外已用于正常的
生产线上。
在精密机械的高速转子的动
平衡调节上（如陀螺转子），利用
电子测振设备作为探测工具，可
以用激光及时地照射到转子上进
行调节除去冗余物质，达到高速
旋转动平衡的效果。
国外激光加工，已形成了近
代产业，并且向着难度较大的方
面迈进。例如飞机铝皮以及铝与
钛合金的焊接等。我国在用激光
进行仪表宝石轴承钻孔方面，工
艺已很成熟，用激光进行机械件
的切割、焊接及热处理正在试行
推广阶段。
2；激光核聚变
这是当前激光应用的一项重
大前沿课题。利用脉冲强激光聚
焦在可以进行核聚变的物质上，
如果能使局部温度高达几千万
度，就会引起核反应。这种实验
如获得成功，就能开辟从核聚变
获取能量的途径。当前的试验工
作是为下世纪聚变能的产生做前
期准备研究。激光核聚变的进展
一般被视为衡量一个国家激光科
技水平的标志。
为了达到引起核聚变的温
度，在激光照射到靶上时，需要
利用球形靶作向心照射，形成向
心激波，使靶中心能获得更高的
能量集中度，以获得能够“点
燃”靶的效果，称之为惯性约束
聚变（ICF）。实质上这种试验有
如把核试验搬到实验室来进行，
原理上差别不大。美国在取得大
功率激光成就的基础上，正不遗
余力的以国家规模的投资，从事
这方面的试验。 30年来，在ICF
装备上逐步升级，现已从理论上
作出估计，要使聚变达到“点
燃”的阶段，一次轰击靶球的功
率须在100万焦耳的量级。美国
在已做到5万焦耳的基础上，正
在建立100万焦耳量级的激光打
靶庞大设施，以期在本世纪未能
实现聚变试验的重大突破。
1965年在我国著名核科学
家王涂昌的倡导下，并得到聂荣
臻元帅的支持，在上海光机所开
展激光打核靶的预研工作。1986
年建成了以钛玻璃为主体工作物
质的强激光脉冲装置，称为“神
光”装置。输出能量分两路，每
路1000焦耳，脉冲时间为10一’
秒，脉冲峰值功率可达10“瓦。目
前已取得不少基础科研的成果。
例如：除了研究与核聚变有关的
高温高压等离子物理以外，还利
用“神光”装置产生了软调射线
激光，进入了世界先进行列。现
正在扩充规模，以取得在国际上
可比的科研成果。在激光技术水
平上，我们仅居于美、日、法之
后，在国际上是有地位的。
3．激光武器
目前世界上有关激光武器的
研制主要有两种类似的探索和实
践。一种是利用强激光照射，使
目标（如飞机、导弹等快速运动
目标）烧蚀摧毁。显然这种方式
需要的能量很大。另一种途径是
用激光击中敌方武器上的探测器
件使之失灵。这种方式只需要较
小的能量，但受到战术的局限，对
抗方法也较多。目前，试验中有
结果的激光武器有如利用氟氖燃
烧加气体动力的化学激光。还肩“
大功率C（），激光器可以得到百
万瓦以上的功率，维持数秒钟。
（二）激光全息术
利用激光单色性和相干性，
发展出了一种崭新的光学技术，
称为全息术（Holography）。其
实，全息术的概念，产生在激光
发现之前，先让我们从普通照相
讲起。大家知道，我们得到物体
的像，是依靠光波自物体发出经
过光学系统成像而得到的。所谓
成像是我们获取了光波在空间传
播和会聚的结果，我们所得到的
只是光强在一个平面上的分布，
这样我们只能得到一张代表二维
信息的像，在这个过程中，我们
丢失了另一部分很重要的信息，
那就是像点上的光的相位。理论
上讲，我们如果了解到空间的某
一空间面上的光的振幅和相位，
在这平面上进行光的复现，就能
够实现光波信息在整个空间的复
现，从而也能够复现原来物体的
形貌，不仅是平面的，而且是人
体的。问题是如何记录某一·平面
上的振幅和相位，全息术就是为
了解决这个问题的。其基本原理
是，只要用一组传输光波，与被
照物体有固定的相位关系（称为
参考波），让这组参考波与物波形
成空间干涉，这样在相干空间就
能形成具有固定空间分布的干涉
花样。这样在空间的任何截面h
都可以把光波的振幅和相对于参
考波的相位差记录下来，因此就
获取了干涉波空间的全部信息，
由此而称为全息术。当将记录下
来的全息片，再原封不动地被同
样参考光波的照射时，那么通过
光的衍射，就能将原来被摄取的
物体显现出来。因此，全息摄影
的最大特点，就是能复现被摄取
物体的立体形象。
全息术的发明者，是一／t匈
牙利的科学家LGabor。他当时
是想利用这个原理于调射线，；己
体分析上，希望能复现晶体中的
原子结构。全息术的实现只是在
激光出现之后，因为只有激光才
具备了全息实验所需的光的单色
性和相干性。全息术展示的效果，
实在令人惊叹。当人们看到，一
堆堆着的银市，想用手触摸，却
是幻影；眼见一架显微镜，并且
能从目镜出口处看到放大了的昆
虫，却全是空的。因为它们只不
过是拍摄的全息照片。时至今日，
经过再创造和实用目的需要，又
发展出了全息干涉术、彩色全息、
白光及彩虹全息、周视全息等。在
科学技术应用方面，如利用全息
干涉术研究燃气燃烧过程，机械
总论篇·沤谈激光167
件的振动模式，探测细微的断裂
痕迹，蜂窝板结构的粘结质量，特
别是汽车轮胎皮1了缺陷的检查，
部已用于实际生产，在我国也已
得到较广泛应用。此外还用于艺
术展示（如名贵雕塑形象的复
现），具有绚丽多采效果的节日卡
等。更突出的是用来作为商品的
防伪标记。现在全息制品已形成
了一个工业，在我国已发展到一
二百家，其中不少质量好的产品
已具有国际声誉。
（三）激光测距
这是激光问肚以后，最早的
应用之一”。它用于普通战术测距
上，代替j”传统笨重的光学测距
仪。一，般用固体脉冲激光，利用
光脉冲照时到H标经反射往返时
间乘匕光速计算出距离。。在对目
标（敌方）作匡】然反射的情况下，
呵测距离从十几米至几十公
田
利用主动反射测距，则可大
大增加测距的距离并提高测距的
精度。方法是在被测点放琶角反
射器，使反时棱镜个须对准而能
使入射光线沿原方向返回。这种
测距仪多采用高频调制的方法，
现已大量用于工程测墩，世界上
著名的测量仪器厂商，都有商品，
有的和经纬仪结为，体，对被测
点既可测方向，义叮测距离。
作为激光测距的前沿进展应
属激光测月和激光卫星测距。在
美国的阿波罗登月计划中，在月
球上放上光回射器，用当时能做
到的最强脉冲激光，经过望远镜
瞄射到月球反射镜上，多次测得
的距离误差仅6厘米，即测量精
度达到10＼现在国际上有个合
作计划，对丁侧地卫星进行精密
168激光技术
测距及测轨道。我国上海天文台
参加了这一计划，在卫星距测站
6000一7000公里距离时，测距精
度可达2厘米，已达到国际先进
水平。利用这种测距手段，除了
可以准确地测出地球表面的绝对
面型外，还可以精测卫星轨道由
于地球重力局部不均匀所造成的
轨道偏差。同样重要的目的是，经
过长期多站观测可以测出地球地
质板块的经年运动（每年约厘米
量级）。
由于使用激光单色光源，利
用光学干涉仪提高长度测量的精
度，也大大提高了。加大光程差
以提高被测的长度已不是问题。
在精密微细测量（例如光学面的
局部起伏）方面，由于位相差的
测量可以提高到1／1000量级，因
而能测出更高光洁度的要求。
测距精度的提高，涉及到一
个计量的根本问题，即长度单位
本身的准确度。现代的激光稳频
技术可以使激光波长的再现精度
达到10一“V上，稳定度则更高一
个数量级。在70年代，用激光干
涉精度测量了光速，现在则反过
来， 1983年国际计量大会决定以
光在真空中行进的速度作为长度
计量的标准，即是说，一·米的长
度相当‘于真空光速在299796458
分之一·秒行进的距离，在实施中
用指定的稳定激光波长作为标
准，例如用He一Ne激光的633毫
微米的红色波长，其准确度可达
长）r”川上。形象他说，如果我
们用一米的端棒作为标准，那么
棒两端间距的误差容不下一个单
原子层。
关于国际“米”的绝对长度
的确定（…一般称为米定义），我国
的计量学家们也做出了一定的贡
献。He一Ne激光612毫微米及
640毫微米两条谱线的产生及提
出，得到了国际承认，做出了可
资参考的数据。
（四）激光光谱学、激光化学
激光问世之后，使曾经一时
沉寂的光谱学又活跃起来了。如
所周知，光谱学一直是研究原子、
分子运动规律的有效手段。激光
使对原子、分子的研究，全然进
入了一个新的境界。这里先举儿
个例子。大家知道，光合作用是
地球上所有生物直接或间接赖以
生存的基础。植物的生息，动物
食物的来源都靠它，甚至现在人
们所消耗的地矿能源，也是源于
地质年代的光合作用。不过，光
对叶绿素的光合作用，有着十分
复杂的机制。为了探索这一机理，
早在1974年科学家们就利用脉
冲激光作为触发的探针来研究其
反应过程，经过多种途径的努力，
现在已把作用机理基本搞清楚
了。这是一件涉及亿万人民生存
所系的大事，它的科学意义十分
重大。
再举一个激光同位素分离的
事例。出于不同同位素原子质量
上的差别，同类原子的激发光谱
在波长上略有差异。利用高单色
激光就可以有选择地使一种同位
素被激发，而另一种同位素不被
激发，然后用物理或化学方法把
激发的原子淬取出来，这就是激
光同位素分离。最突出的应用是
产生浓缩的铀同位素作为核能原
料。有效地选择激光波长，已能
使生产成本低于其它分离方法，
据悉国际上已进入工程阶段。
不言而喻，对不同原子用特
定波长的激光（这可以用可调谐
波长的激光来获得）可将含在物
质中的微量元素分离出来。采用
这种方法再加上物化分析常用的
质谱计，可以探测到少量可数量
级原子的存在（称为单原子探
测）。例如，在我国从土壤中探测
金原子的存在，灵敏度可达
1O‘’一111’，比一，般的微量分析
灵敏度又高出两三个数量级。最
近还利用这种方法分析了南极探
险家秦大河从南极钻取的冰样，
通过对不同深度的冰样的单原子
分析，可以探知历史年代气候的
影响及突变事件的发生（如火山
爆发引致大气尘埃的增加）。
从上述的几个例于可以看
出，人们为了改造世界，必须先
了解世界，认识世界。今天，我
们面对着有限的资源和环境的挑
战，有多少物质和环境方面的变
化需要进行深入的了解啊！可以
说，激光的出现，为我们提供j”
研究微观运动和变化机理的手
段，加上其他微观探测工具的进
步，我们正进入一一个研究微观动
态反应的新时期。
回忆一·下1895年，当发现了
调光之后，在逐步了解了调光的
本质的过程中，首先被应用的方
面是调光透视，这对医疗技术的
进步起了突出的作用。后来调光
透视也被用来进行机械件和材料
缺陷的检查上，也起到非凡的作
用。但是调光技术影响最大的领
域是用以研究晶体和物质的原子
结构，开始时是搞清楚了简单的
无机晶体，直到现在用以研究最
复杂的生物分子结构组成。调光
的功绩在于，使人们进入了理解
物质微观结构的园地。从发现调
光到现在，已经过去一个世纪了，
它仍然显示着巨大的威力。然而，
激光的出现又进入了一个新的阶
段，即进入了从了解物质微观的
静态布局到研究物质动态过程的
阶段。这在对微观世界的认识上，
无疑是一个飞跃。如果说调光经
过百年还有创新的生命力，那么
采用激光技术研究物质微观运动
的生命力会更强。现在这一学术
领域好比1913年布拉格物理学
家开始用调光研究晶体结构的
阶段那样刚刚起步。
上面提到，通过激光对原子、
分子有选择的激发可以起到分离
的效果。同理，通过有选择的激
发，可以优化或进行有选择的化
学反应。这是激光化学的一一个方
面，也是当前研究微观化学反应
的热门课题。
总之，利用激光已打开研究
物质微观运动和反应的大门，前
途无量。
（五）激光与光通讯
基于激光的特性，考虑用它作为通讯的手段是很自然的事。
但是通过大气的光通讯有很大的局限性，…，是要有直视的空间，二
是不能通过雨雾。因此，与无线电波、微波相比，显然缺少竞争
力。只有在特殊的环境中，才能有光通讯的地位。除了有可能在
空间和水下使用的可行性外，最为突出的应用领域就是用于光纤
通信。
关于光纤通信，自从1966年华裔科学家高馄提出利用高透过
率光纤进行通信的倡议以来，有了迅猛的发展，整个世界的现代
通讯网络，光纤通信已占有主导地位。激光在光纤通信技术上的
关键作用有两个方面：一是激光作为经过调制的信息流，目前普
遍采用半导体激光器；二是近年来发展起来的光纤放大器（主要
是含钳光纤在1．3和1．5微米波长起放大作用）。光纤放大器的使
用，将使光纤通信的中继环节不必再经过光电转换的问断过程，
即使偶然一··个中继环节失灵，通信仍然进行，从而大大提高了光
纤通信的可靠性和维护效益。
（六）激光医疗与生命科学
这也是激光应用的一个重要
方面。关于激光用于医疗，有如：
激光视网膜焊接；
激光作人造瞳孔；
激光照射治疗各种炎症及肿
瘤；
激光针灸；
激光手术刀；
激光激活药物抑制癌细胞生
长；
激光探测血液运行；
激光血管内处理；
激光牙科，等等。
激光医学已成为专i’）的学
科，激光医疗器不少己商品化，不
少医院正如设立调光科那样，设
立了激光科。
激光应用于生命科学，首先
是激光育种，将种于或胚胎经过
激光照射，可以引起遗传变异或
促进生长，在我国已有不少成功
的例子，取得了显著的经济效益。
据报道，我网采用激光技术己培
育出2个水稻新品种和3个小麦
新品种，推广种植面积5000多万
亩，增产粮食1（）多亿公斤。另外，
也培育出了大豆、油菜、豆角、番
前、棉花、家蚕等新品种，在质
量和产量上有显著成效。研究激
亩日
日
总论眉·漫谈激光169 …
光诱发变异机理是很有科学和实
际意义的课题，利用激光高度的
单色性和波长可调的宽阔范围，
特别是在短波波段，预示着进付
有选择的定向变异的可能性。利用激光微加上，呵对细胞
打孔，对基因j芒行切割，也为生命科学研究提供了新的手段。
（七）激光与新技术
前面已经讲了，激光促进了激光工作物质和非线性材料的发
展，我国可以感到自豪的是在许多新型晶体材料的发展和制备
上，在国际上有声誉。这里有常用的倍频晶体KDP,还有
KTP，用于开拓紫外波段的BBO、LBO，光折变晶体钛酸钡等等。
半导体激光技术除用于激光唱盘及视盘的量大面广的唱机
外，也用于光盘母盘的刻制。光盘是高密度数字存储手段，不仅
改变着文献存储的方式，而且新近发展成功的可擦除复用光盘，
为大容量计算机存储提供了新手段。
值得指出，高新技术的发展，一旦在某一材料和技术上有新的
突破，会带来一系列产品的改观。激光技术也不例外。例如，近年
来钛宝石作为固体可调谐工作物质，已代替了一部分染料激光器
的功能，但在使用操作上却简便得多。大功率半导体激光器正在
代替氙灯作为激发光泵，从而开辟了固体激光器全固体化的新途
径。由于半导体具有很高的光效率，从而简化了激光器的结构，只
要半导体激光器的制造成本能降下来，它就会代替现有氙灯泵浦
的激光器大量占领市场。
《世纪之交:与高科技专家对话》
(辽宁教育出版社1995)


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