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发信人: crazy (雪山), 信区: Science
标  题: 激光器(2)
发信站: 紫 丁 香 (Mon Mar 27 03:23:03 2000), 转信

激光的巨大应用
    1960年 7月，西奥多·梅曼在加利福尼亚的休斯空军试验室第一次制得了人造激
光。这束仅持续了3亿分之一秒的红色激光标志着人类文明史上一个新时刻的来临。
    梅曼的激光器使用的激活媒质是一个 4厘米长的圆柱形红宝石棒。在红宝石棒上
缠有闪光玻璃管以便让晶体受光线照耀。这种红宝石的主要成份是混有铬离子的氧化
铝。当铬离子被强烈的普通光激发时，就产生了离子数反转。这样在谐振腔的作用下
就获得了第一束人造激光。
    激光器的发现过程并不是一帆风顺的。虽然汤斯和费罗早在1957年就提出了激光
器的基本理论，但是在实际建造中还有许多困难，对激光的性质和作用都还没有清楚
的认识。在梅曼开始建造他的红宝石激光器之前，有人断言红宝石绝不是制造激光的
好材料，而费罗也支持这种观点。这使得很多人中止了用红宝石来制造激光的尝试，
但梅曼却怀疑这个说法。为此，他花了一年的时间专门测量和研究红宝石的性质，终
于发现上述论断所依据的基础是错误的，而红宝石确是制造激光器的好材料。从此他
着手建造那个世界上第一台激光器。他的准备工作十分地详细完备，在第一次试验时，
当按钮按下时，第一束人造激光就产生了。在梅曼成功之后不久，氦氖激光器也试验
成功。这一系列的成功使实力雄厚的贝尔实验室也投入到激光器的研究之中，而其资
金和人力资源又迅速推动着研究工作的进展。
    自从1960年以来，激光家族有着迅猛的增长。现在有各种不同形状不同大小的各
种各样的激光器，可以产生出不同功率、不同波长的激光。这些激光的范围包含从红
外到紫外以至X射线的所有区域。
    可以有两种方法对激光器进行分类。一种是从激活媒质的物质状态面分类。这样
可分为气体、液体、固体和半导体激光器。各类激光器各有特色。气体激光器的单色
性强，如氦—氖激光器的单色性比普通光源要高 1亿倍，而且气体激光器工作物质种
类繁多，因此可产生许多不同频率的激光。但是，由于气体密度低，激光输出功率相
应较小；固体激光器则正好相反，能量高，输出功率大，但工作物质种类较少，而且
单色性差；液体激光器的最大特点是激光的波长可以在一定范围内连续变换。这种激
光器特别适合于对激光波长有着严格要求的场合；半导体激光器的特点则是体积小，
重量轻，结构简单，但输出的功率较小，单色性也较差。
    另一种分类方式是按激活媒质的粒子结构来分类，可以分为原子、离子、分子和
自由电子激光器。氦——氖激光器产生的激光是由氖原子发射的，红宝石激光器产生
的激光则是由铬离子发射的。另外还有二氧化碳分子激光器，它的频率可以连续变化。
而且可以覆盖很宽的频率范围。
    各种激光器中激活媒质的方法也不尽相同。一般来说可分为三种方法：使用高强
度的光，从带电源来的电子，以及较少用的第三种方法——核辐射。
    激光刚刚诞生不久就被人们称为“解决问题的工具”。科学家们一开始就意识到
激光这种奇特的东西，将会像电力一样注定要成为这个时代最重要的技术因素。迄今
为止，仅仅二十多年的初步应用，激光已经对我们的生活方式产生了重大影响。激光
通信使我们在地球的每一个角落里都能准确迅速地进行信息交流；激光唱盘可以使我
们渴望亲耳聆听世界名曲的现场演奏几近成真。总之，激光正实现着几年前还令人难
以置信的技术奇迹。从工业生产到医学，从电讯通信到战争机器，科学和技术正运用
激光来解决一个又一个的难题。
    激光广泛应用的基础在于它的特性。激光单色性好，又可在一个狭小的方向内有
集中的高能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打孔。这是令人惊奇的。
从红宝石激光器中输出脉冲的总能量煮不熟一个鸡蛋，但却能在 3毫米的钢板上钻出
一个孔。为什么激光这么神奇呢？关键不是光的能量，而在于其功率。激光的功率是
很高的，这也是它多方面被应用的基础。
    在激光出现之前，只能用硬度较大的物质在硬度较小的物质上打孔。这样要在硬
度最大的金刚石上打孔，就成了极其困难的事。激光出现后，这一类的操作既快又安
全。用激光来切割钢板也是又快又省事。现代的激光成了人们所幻想追求的“削铁如
泥”的“宝剑”。激光还可用于焊接，用比切割金属时功率较小的激光束，使材料熔
化而不使其气化，在冷却后成为一块连续的固体结构。激光在工业领域中的应用是有
局限和缺点的。用激光来切割食物和胶合板并不成功。食物被切开的同时也被灼烧了，
而切割胶合板在经济上还远不合算。另外，激光钻出的孔是圆锥形的，而不是机械钻
孔的圆柱形，这在有些地方是很不方便的。
    激光在电子工业中也得到广泛应用。可以用它来进行微型仪器的精密加工，可以
对脆弱易碎的半导体材料进行精细的划片，也可以用来调整微型电阻的阻值。随着激
光器性能的改善和新型激光器的出现，激光在超大规模集成电路方面的应用已经成为
许多其他工艺所无法取代的关键性技艺，为超大规模集成电路的发展展现出令人鼓舞
的前景。
    激光的出现引发了印刷工业中的一场革命。现代社会中，信息的作用越来越重要。
谁掌握的信息越迅速、越准确、越丰富，谁也就更加掌握了主动权，也就有更多成功
的机会。因此在信息传播中，加快印刷速度，缩短出版周期也就有了相当重要的意义。
现在已经得到广泛应用的激光照排技术就是一项重大的革命。激光照排是将文字通过
计算机分解为点阵，然后控制激光在感光底片上扫描，用曝光点的点阵组成文字和图
像。现在我国已广泛应用的汉字排版技术就采用了激光照排，它比古老的铅字排版工
效至少提高5倍。
    一般照相机照出的照片都是平面的，没有立体感。用物理术语来说，得到的仅是
二维图像，很多信息都失去了。当激光出现后，人类才第一次得到了全息照片。所谓
全息照片就是记录了景物的全部信息的照片。全息照片不用一般的照相机，而要用一
台激光器。激光束用分光镜一分为二，其中一束照到被拍摄的景物上，称为物光束；
另一束直接照到感光胶片即全息干板上，称为参考光束。物光束被物体反射后，其反
射光束也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄制过程。全息照片和普通照片截然不
同。用肉眼去看，全息照片上只有些乱七八糟的条纹。可是若用一束激光去照射该照
片，眼前就会出现逼真的立体景物。更奇妙的是，从不同的角度去观察，就可以看到
原来物体的不同侧面。而且，如果不小心把全息照片弄碎了，那也没有关系。随意拿
起其中的一小块碎片，用同样的方法观察，原来的被摄物体仍然能完整无缺地显示出
来。全息照相的原理是利用光的干涉原理，利用两束光的干涉来记录被摄物体的信息。
这个理论很早就有人提出过，但只有激光才能达到它所要求的高度单色性。因此，只
有在激光器诞生以后人们才实现了这一梦想。
    激光大显身手的另一领域是医学。在外科手术中它不仅可以作为激光刀使用，而
且在眼科、牙科、皮肤科与整容各方面都有独到的应用。激光刀的妙处在于它切割的
同时也进行了灼烧，这恰好封闭血管防止其出血，也减少了感染的危险。用激光对牙
齿进行无痛钻孔和去牙蛀，使人们对以前望而生畏的牙科手术大感轻松。相比以前的
机械打孔，激光钻孔不仅不会产生大量的摩擦热，而且其所蒸发掉的只是被腐蚀处的
黑色牙区，不会对健康的牙组织产生影响，从而疼痛感会大大减轻。激光在眼科上的
应用是最令人叹为观止的。激光可以焊接脱开的视网膜，封闭破漏的血管，彻底摧毁
飘浮在眼中冻胶状液体中的微小的沙粒(使其气化)。激光手术的优点是不需要切开眼
睛就能完成手术，而且手术的疼痛感大为缓和。
    对于目前的不治之症——癌症，激光也提供了有效的武器。一方面，激光可以用
作激光刀来切除肿瘤；另一方面，在癌症的早期诊断方面也卓有成效。癌症的早期诊
断对于其治疗有着决定性意义。借助于激光能准确地确定肿瘤细胞和正常细胞，同时
也提供了一个新的治疗途径。借助于一些特殊的化学物质，采用激光化疗法，能使这
些特殊物质在激光作用下杀死肿瘤细胞，从而达到治疗癌症的目的。
    通讯设施是人类社会生活，尤其是现代社会生活必不可少的。激光的发明使通讯
进入一个新天地。原来的电磁通讯技术容量小，保密性差，越来越不能满足社会发展
的要求。电话之父贝尔早在1880年就有过光电话的设想，但由于普通光受云、雨、雾
所阻碍，实验失败了。激光发明后，结合另一发明光导纤维，光通讯重获新生并得到
迅速应用。
    光导纤维的概念可以回溯到1870年。英国科学家约翰·廷德尔使用有反射表面的
管子，让光以曲折的“之”字形方式输送。如果用玻璃管，那么从一端射入的光将会
从另一端射出，即使玻璃管弯曲多次结果仍然不变。其中奥妙在于光的全反射现象：
当光在玻璃管内以某种角度射向玻璃和空气的界面时会全部反射回玻璃内。因此在光
的传送过程中没有能量的损失，现代光导纤维应用了同样原理。柔软的高纯度的玻璃
纤维比头发丝还细，但却比同直径的钢丝强度还高。光在光导纤维内沿之字形传播，
因此光导纤维弯曲后也不影响其传播。
    激光通讯与无线电通讯相比，激光通讯保密性好，在军事通讯中应用十分广泛。
另外，在空间通讯领域，选取不被大气吸收的波长的激光可以克服无线电通讯的一些
局限。可是由于激光光束在大气层里传播时会受到大气中微粒的吸收或散射，从而使
激光通讯的距离受到限制。这使得目前的激光通讯只能作为无线电通讯的一个有效补
充，但还不能够取而代之。
    很久以前，有人幻想一种“死光武器”的出现。在古希腊，阿基米德利用巨大的
反光聚焦镜摧毁了入侵者的兵舰，但那时的船还是由木头做的。现代的激光让人们有
可能实现古代的梦想，制造出可以摧毁一切的激光武器。美国现在全力研制的“星球
大战”防卫体系，其所依赖的重要一环就是用激光束来击毁入侵的导弹。可以设想，
一枚载着核弹头的导弹在强激光的照射下会迅速化为一阵烟雾消散在空中，这该是多
么奇妙的事。
    用激光作为“死光”武器，不能像在激光加工中那样借助于透镜聚焦，而必须大
大提高激光器的输出功率。目前的激光武器有两种，一种是战术武器，也就是像常规
武器那样直接杀伤敌方人员、击毁坦克、飞机等。这种武器的主要代表有激光枪和激
光炮，它们能够发出很强的激光束来打击敌人。另一种是战略武器，用于对付敌方的
远程导弹、军事卫星等空间武器。研究战略武器的关键是制造大功率高能量的激光器，
其能量和功率足以摧毁导弹和卫星。目前，已经进行了这类实验并获得成功，但其成
果是保密的。
    激光测距仪是激光在军事上应用的起点。60年代的越南战争和中东战争首先将其
应用到火炮系统，大大提高了火炮射击精度。雷达是二战中的产物，而激光雷达又给
雷达发展指示新方向。相比于无线电雷达，由于激光发散角小，方向性好，因此其测
量精度大幅度提高。由于同样的原因，激光雷达不存在“盲区”，因此尤其适宜于对
导弹初始阶段的跟踪测量。但由于大气的影响，激光雷达并不适宜在大范围内搜索，
还只能作为无线电雷达的有力补足。
    此外，还有精确的激光制导导弹，以及模拟战场上使用的激光武器技术运用。在
激光实战演习的战场上，酷似实际战争场面。那里，炮声隆隆，硝烟弥漫，演习的双
方互相射击，不时有伤员退出战场。为什么会这样呢？原因并不复杂。像一支激光步
枪，每发射一次就射出一束激光。而演习双方战士的身上都有光电接收器和发声装置。
如果某束光射中一名士兵，则通过其随身的计算机分析会得出“死亡”、“受伤”和
“丧失战斗能力”等结论，并同时发出声音和烟雾。激光模拟实战演习大大节约了演
习费用，而又逼真地表现了战争气氛，确保人员生命安全，因此广为各国军队欢迎。
    激光技术是高科技的产物，其产生又推动了科学研究的深入发展，并开拓出许多
新的学科领域，如非线性光学、激光光谱学、激光化学、激光生物学等。激光被用来
研究与生命密切相关的光合作用、血红蛋白、DNA 等的机制。激光还将成为时间和长
度的新标准，以后任何高精度的钟表和米尺都可以用某一特定波长的激光束来标定。
    激光在核能应用上也将大显身手。乐观的专家们估计，到2020年强大的激光会产
生安全经济的热核聚变，这类似恒星内部的核反应过程。如果实现，热核聚变将带来
巨大无比的社会和经济效益，能源危机亦将不复存在。到那时，一桶水中的氢聚变后
所产生的电力足够一个城市使用。
    激光从诞生到目前只有短短的一段历史。由爱因斯坦受激辐射理论的提出，到战
后科学技术水平的迅速提高，使得技术条件日趋成熟，从而在1954年由美国物理学家
汤斯首先制造出第一台氨微波激射器。同时，提出激光理论的还有苏联的巴索夫和普
罗霍洛夫。这三人共同分享了1964年的诺贝尔物理学奖。
    目前，激光技术已经融入我们的日常生活之中了。在未来的岁月中，激光会带给
我们更多的奇迹。

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