最亮的光、最准的尺、最快的刀

2022-10-11薛海凤

科学大观园 2022年20期

薛海凤

“最亮的光”“最准的尺”“最快的刀”，说的是激光。激光切割、激光焊接、激光打标、激光打孔、激光通信、激光打印、激光治疗、激光美容术、激光碎石、激光测距、激光全息摄像等已进入人们视野。

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体后，人类又一重大发明。什么是激光呢？原来组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳（跃迁）到低能级上，辐射出与激发它的光相同性质的光，且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象，这叫“受激辐射的光放大”，简称激光。世界上第一台激光器诞生于1960年，我国研制出第一台激光器是1961年。原子自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态、传播方向上的一致，是物理上的非相干光。而激光，受激辐射的光，能辐射与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子。激光就好像纪律严明的光子部队，行动一致，有着极强战斗力，这就是为什么许多事情激光能做，而阳光、灯光不能做的主要原因。

激光是20世纪60年代的新光源，具有方向性好、亮度高、单色性好和高能量密度等特点，从高端的光纤到常见的条形码扫描仪，已广泛应用于工业生产、通信、医疗卫生、军事、文化教育等方面。

最亮的光——激光亮度极高，约为太阳光的100亿倍。因为亮度极高，能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑肉眼可见。激光亮度极高的主要原因是定向发光，大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。

最准的尺——普通光源向四面八方发光，而激光定向发光，朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。1969年，激光用于遥感勘测，激光射向阿波罗11号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。激光传感器是新型测量仪表，具有无接触远距离测量、速度快、精度高、抗电干扰能力强等优点。激光测距仪应用到火炮系统，提高了火炮射击精度。激光雷达相比于无线电雷达，发散角小，方向性好，测量精度大幅度提高，且不存在“盲区”，适宜跟踪测量。

最快的刀——激光以光速传播，速度极快。用于医学诊断与治疗，解决了医学中的许多难题，为医学的发展作出了贡献。如激光治疗心血管疾病、准分子激光角膜成形术、激光美容术（去皱、治疗黄褐斑等）、激光纤维内窥镜手术、激光胸腔镜手术、激光碎石术等。激光手术有传统手术无法比拟的优越性，激光手术刀高能量、聚焦精确，不影响周围邻近组织，有一定穿透力，不需要住院治疗，手术切口小，术中不出血，创伤轻，无瘢痕，可减轻痛苦，减少感染，疗效确切，安全可靠。飞秒激光在超快现象领域中起到快速过程诊断的作用，犹如超高速的“相机”可将快速过程分析、记录下来。

能量密度极大的光——激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因为它的作用范围很小，一般只有一个点），短时间里聚集大量的能量，用在激光切割、激光打孔、武器方面。例如红宝石激光器发出的激光束，能穿透一张1/3厘米厚的钢板，但总能量却不足以煮熟一个鸡蛋。激光分离技术是将能量聚焦到微小的空间，获得极高的辐照功率密度，进行非接触、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下，几乎可以对任何材料实现激光切割和打孔。激光切割技术是摆脱传统的机械切割、热处理切割之类的全新切割法，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产效率等特点，运用在汽车、计算机、各种金属零件和特殊材料的切割等方面。激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。在军事中，激光武器是利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器，具有攻击速度快（用光速飞行，每秒30万公里，任何武器都没有这样高的速度）、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰、没有任何发射性污染等优点。激光产品已成为现代武器的“眼睛”和“神经”。飞秒激光在超强领域中的应用可用于受控核聚变的研究。

最纯的光——光的颜色由光的波长（或频率）决定，一定波长对应一定的颜色。太阳光由红橙黄绿蓝靛紫共7种颜色光组成，不具有单色性。氪灯、氦灯、氖灯等只发射某一种颜色的光为单色光源。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，而氦氖激光器发出的红光，波长分布范围可以窄到2×10-9纳米，越窄越纯，可见激光是最纯的光。

目前，激光技术已融入我们日常生活中，未来岁月中，激光会带给我们更多的惊喜与奇迹。