小小激光笔,或致大灾祸———记激光器诞生60周年

◇ 北京 程 帅

很多老师在讲课时都离不开一只小小的激光笔,轻点一下按钮,即可射出一道笔直的光束,照射在PPT上,亮点清晰可见.然而,这小小的激光笔竟可能导致大灾祸.宁波一名12岁男孩在镜子前摆弄激光笔,误将激光照射到自己的眼睛上,导致视网膜严重受损,接近失明.2013年,埃及开罗的示威游行者甚至用激光笔驱赶了武装直升机.一只小小的激光笔为何有这么大的威力呢?这还要从激光的原理说起.

1 激光的原理

处于低能级的粒子在受到光子激发时会跃迁到较高能级,即受激吸收.而处于较高能级的粒子也可以自发地释放光子而跃迁到较低能级,即自发辐射.这时发出的光只是普通光,光子的频率和相位也是随机的.1917年,爱因斯坦进一步提出原子在受到光子激发时不仅可以跃迁到较高能级,同时会引起粒子从高能级跃迁到低能级,并且释放出两个与外来光子具有相同频率、相位、偏振态和方向的光子,称为受激辐射(如图1).

图1

设想如果有很多光子参与激发,粒子会产生从低能级到高能级以及高能级到低能级的反复跃迁,从而释放出成倍相同特性的光子,使得原本的光信号被放大,我国物理学家钱学森把这种现象命名为激光.

2 激光的特性

2.1 定向发光

由于普通光源是向四面八方发光的,所以生活中要想得到一束平行光,通常需借助凹面镜等类似的工具先将光聚集,再发射出去,而这样的光传播到一定距离之后就会散成一片,因此往往照不远.而激光是由很多性质相同的光子构成,朝同一个方向传播,是不相干光,光的发散度极低.一只普通的激光笔可以照射几千米远.1962年,科学家用激光照射38万千米外的月球,到达月球后的光斑直径不足2千米.

2.2 亮度极高

由于构成激光的光子性质相同,且这些光子是在极短的时间内迸发出来,被束缚在一定范围之内,照射到一个极窄的空间上,因此激光的亮度极高,可以达到太阳光亮度的百万倍以上.这样的光照射到飞机上会严重影响驾驶安全,许多国家都规定了禁止用激光照射飞行器,严重者会被罚款甚至判刑.

2.3 颜色极纯

光的颜色由光的波长决定,太阳光波长分布在0.76μm～0.4μm,不具有单色性.单色性最好的氪灯发射的红色光波长范围也要到10－5nm,而激光的波长分布在一个很窄的范围内,可以达到10－9nm,是氪灯发射的红光波长的万分之一,因此颜色极纯.我们肉眼看到的激光往往只是绿色或者红色的单色光,不掺有其他颜色.

2.4 能量极高

光子能量E＝hν,h为普朗克常量,激光的频率ν可以达到3.846×1014Hz～7.895×1014Hz,可见激光的能量很高.若激光照射到眼睛,可以在瞬间烧毁视网膜上的黄斑区,导致视力下降甚至失明.所以在使用激光笔的时候,切记不能照射他人的眼睛和皮肤.激光作为光的一种,在真空中的传播速度为3×108m·s－1,自诞生以来就被赋予世界上“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”等称号.

3 激光的应用

1960年7月,物理学家西奥多·梅曼制成了世界上第一个激光器——红宝石激光器.自此,激光促生了很多科研成果,例如激光武器速度为洲际导弹的几万倍,可以在几秒钟内直达世界任何角落,未来很有可能取代火炮.另外,借助激光的特性可以实现激光制导、测距、雕刻、切割(如图2)、美容、治疗静脉曲张,实现光纤通信和全息成像技术等.在城市的夜空,用激光光束照向天空(如图3),可以排布不同的图案,给人一种科幻美感,为城市的夜空增添一分靓丽.

2018年诺贝尔物理学奖一半奖金颁给了美国科学家阿瑟·阿什金,奖励他发明了可以操纵原子的光镊(如图4),又称单光子束粒子阱.生活中的镊子可以借助手施加的力夹起有形的物体,而要夹起原子、分子绝非易事.光在照射到物体表面时会发生反射和折射,同时给物体一个压力,称为光压.普通光的光压很小,而激光可以提供足够的光压,在与粒子相互作用时产生把粒子推向中心的力,达到钳住粒子的效果,移动光束,就可以实现迁移粒子的目的.

图2

图3

自激光器诞生以来,与激光相关的诺贝尔奖有十几项,包括1971年的全息技术、1997年的激光冷却、2009年的光纤通信等.2020年是激光器诞生60周年,相信未来科学家会在激光领域有更大的发现.

图4