創(chuàng)造奇跡的光

提到激光，不少人會(huì)覺得“耳熟”。但說(shuō)到CD唱片、VCD視盤、計(jì)算機(jī)光盤，恐怕已進(jìn)入了大多數(shù)人的家庭，而這些“盤”中信息的“寫入”和“讀出”實(shí)際上靠的就是激光。也就是說(shuō)。激光并不神密，已在悄悄地走進(jìn)了尋常百姓的千家萬(wàn)戶。但是，什么是激光？怎樣得到激光？為什么用它來(lái)錄入和讀出信息？它還有哪些方面的應(yīng)用？我想，這些一定都是你急切想要知道答案的問(wèn)題。

什么是激光？顧名思義，激光首先是“光”。即從本質(zhì)上講，它也是電磁波和光子流（光有波粒二象性），且一定波長(zhǎng)范圍的激光也應(yīng)顯色。但激光多了一個(gè)“激”字，因此它又不同于普通光，下面通過(guò)激光的產(chǎn)生說(shuō)明什么是激光：處于較高能量E₂的“亞穩(wěn)態(tài)”的某種原子或分子，由于受到能量ε＝hν＝E₂－E₁的入射光子的影響，躍遷到較低能量E₁的“終能態(tài)”（注意！不是基態(tài)），并將所相差的能量（E₂－E₁）以光子的形式放出。顯然，輻射出的光子與入射光子在頻率、傳播方向和位相方面完全相同，兩種光子的關(guān)系見圖4—6，這種輻射現(xiàn)象叫“受激輻射”，所輻射出的光子叫“受激光子”。

入射光子在由亞穩(wěn)態(tài)粒子構(gòu)成的媒體中傳播時(shí)，連續(xù)發(fā)生受激輻射，產(chǎn)生的受激光子越來(lái)越多，它們又可充當(dāng)入射光子的角色，產(chǎn)生出更多的頻率、位相和傳播方向完全雷同的光子，彼此間發(fā)生了加強(qiáng)性干涉，因而得到一束與入射光波長(zhǎng)相同，但強(qiáng)度大為加強(qiáng)的“強(qiáng)光”。這種由于受激幅射而得到的強(qiáng)光就是“激光”。

圖4－6　光子的受激發(fā)射

從激光的形成過(guò)程可知，激光是一束單色性、直線性和相干性都極強(qiáng)的光，具有高強(qiáng)的亮度和能量。

發(fā)生激光的裝置有氣體激光器和固體激光器兩大類。世界上第一臺(tái)氣體激光器是1960年前后所制出的氖（混有氦）激光器。在一支細(xì)玻璃管里充有氖和氦氣，當(dāng)有電子流通過(guò)時(shí)，高能量的電子e^－＊與氦原子相碰撞，產(chǎn)生出激發(fā)態(tài)的He^＊原子：

He＋e^＊→＋He^＊＋e^－

新產(chǎn)生出來(lái)的He^＊與氖原子相碰撞，又將所獲能量傳遞給了氖原子，使其激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)Ne^＊

He^＊＋Ne→He＋Ne^＊

原子的核外價(jià)電子排布為2s²2p⁵5s¹，即Ne基態(tài)下的1個(gè)2p電子躍遷至5s亞層，Ne^＊的壽命較“長(zhǎng)”，約為10^－7秒。當(dāng)Ne^＊在適當(dāng)能量的入射光子的影響下，會(huì)躍遷至價(jià)電子排布為2s²2P⁵3s¹的終能態(tài)，同時(shí)輻射出波長(zhǎng)為633納米的激光。由于終能態(tài)穩(wěn)定性更差，壽命僅為10^－8秒，又即刻變?yōu)榛鶓B(tài)Ne（2s²2p⁶）。類似的氣體激光器還有氬離子激光器、二氧化碳激光器，后者輻射激光的波長(zhǎng)為10000納米。固體激光器問(wèn)世的時(shí)間與氣體激光器差不多，現(xiàn)在使用較多的有紅寶石激光器、釹激光器等，后者中的釹〔Nd（Ⅲ）〕存在于釔鋁石榴石（Y₃Al₅O₁₂）或硅酸鹽玻璃中。

從激光誕生至今充其量也就不過(guò)40年左右，但它為人類提供的服務(wù)卻已涉及到人類生活的方方面面。

“民以食為天”。農(nóng)學(xué)家們受到“萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)”的啟示，試驗(yàn)在播種前用激光照射水稻稻種，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)照射后的稻種在發(fā)芽率、秧苗長(zhǎng)勢(shì)、稻穗的大小和重量及最后水稻畝產(chǎn)都有明顯的提高，對(duì)于小麥、大豆等作物及多種蔬菜，激光也都有類似的效果；把激光技術(shù)用于果樹栽培，結(jié)出的果子數(shù)多、肉厚、味甜；在畜牧業(yè)方面，通過(guò)對(duì)牲畜的精液作適度激光照射，可提高精子的活動(dòng)能力、牲畜人工受精的成功率，而且育出的牲畜長(zhǎng)得快、抗病力強(qiáng)、出肉率高；養(yǎng)魚工作者用激光照射魚卵，也取得了可喜的結(jié)果。

人們不僅需要物質(zhì)食糧，還需要豐富多彩的精神食糧，激光的應(yīng)用在這個(gè)領(lǐng)域更是效果明顯：激光唱盤（CD）、激光視盤（VCD）、激光彩色音樂(lè)、激光音樂(lè)噴泉、激光全息照相等，確實(shí)大大豐富了人們的文化藝術(shù)生活。自1887年美國(guó)大發(fā)明家愛迪生（1847—1931）發(fā)明了會(huì)唱歌的機(jī)器——留聲機(jī)后，唱機(jī)和唱片的技術(shù)一直在不斷的改進(jìn)。激光技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用，更可以說(shuō)是留聲機(jī)的一場(chǎng)“革命”，CD唱片因采用激光來(lái)錄音和放音，激光有很好的直線性和空間相干性，用光學(xué)方法可將其聚焦至直徑小于10－6米的光點(diǎn)，因此激光唱盤的音槽可以制作得很小，存儲(chǔ)音樂(lè)的“信息量”是以前的唱片根本無(wú)法比擬的，一張直徑僅12厘米的CD盤，竟能播放長(zhǎng)達(dá)1個(gè)小時(shí)的節(jié)目，且音質(zhì)也明顯優(yōu)于過(guò)去；激光唱盤的另一優(yōu)點(diǎn)是因采用激光作為“唱針”，唱針和唱片并無(wú)機(jī)械摩擦，因此CD盤被譽(yù)為永久性的唱片，而VCD、DVD盤的出現(xiàn)，又使家庭影院成為當(dāng)今一種時(shí)尚。

一般地講，人人都會(huì)有“生、老、病、死”。隨著生活水平的提高和醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，人的平均壽命已大為延長(zhǎng)，不少過(guò)去流行的傳染病現(xiàn)已“銷聲匿跡”，不少過(guò)去的疑難病癥已被“攻克”。但是時(shí)至今日，仍有一些疑難癥、常見病在每時(shí)每刻地折磨著成千上萬(wàn)的患者，過(guò)早地奪走了一些人的生命。因此，防治疾病仍是當(dāng)前人類亟待解決的重大課題之一。在激光器問(wèn)世后的第三年，醫(yī)生就開始將激光技術(shù)用于醫(yī)療，經(jīng)過(guò)30多年的潛心研究和臨床實(shí)踐，激光技術(shù)已用于醫(yī)學(xué)的多個(gè)醫(yī)科：如用激光照射癌組織及用“激光刀”切除癌腫瘤，都有著大量成功的病例；心血管病是一種死亡率很高的常見病，利用激光技術(shù)治療動(dòng)脈粥狀硬化、開通被血栓阻塞的血管、對(duì)心肌織組做部分切除術(shù)等，都已取得了一些令人鼓舞的效果；而激光給人治病，首先是從眼科開始的，如矯正視力、白內(nèi)障、青光眼的激光手術(shù)等，都效果頗佳，甚至可實(shí)行門診手術(shù)。

以上三方面的介紹，僅僅是激光技術(shù)應(yīng)用的一小部分，而激光的實(shí)用是多個(gè)領(lǐng)域的：信息高速傳輸、精密加工和精密計(jì)量、地震預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、激光制導(dǎo)和激光致死武器等舉不勝舉。還應(yīng)指出，激光技術(shù)更廣泛、更深層次的應(yīng)用。還有待人們進(jìn)一步去開發(fā)，當(dāng)前的情況僅僅是激光使用的初級(jí)階段。但僅就現(xiàn)今激光技術(shù)的使用效果看，把激光稱作“創(chuàng)造奇跡的光”，你說(shuō)過(guò)分嗎？