激光,在生活中無處不在,卻又神秘莫測。不知道大家是不是和我有一樣的疑問:我們身的激光打印機(jī)也沒什么稀奇的,激光筆低價的才幾元一支,為什么老師一邊拿著這么便宜的激光筆在黑板上指指點點,一邊又說激光是高科技,國之重器呢?
世界上第一臺激光器剛剛度過了它60歲的誕辰(1960年5月16日世界第一臺激光器——紅寶石激光器誕生),今天小編就來給大家仔細(xì)講講激光究竟是一個什么樣的東西,和我們的生活又有什么關(guān)系。
第一臺紅寶石激光器
普通光為自發(fā)輻射,但激光為受激輻射
首先要弄清楚光源發(fā)光的機(jī)理。我們?nèi)粘I钪械钠胀姛羲l(fā)出的光通常源于自發(fā)輻射。以最簡單的白熾燈為例,首先給燈絲通以電流,燈絲就會發(fā)熱,這時燈絲原子的核外電子就會吸收熱能,從較低的能級躍遷到較高的能級去。這就好像給電子充錢成為 VIP 電子,不過人家是良心商家,隨時可以退款,當(dāng)了一陣 VIP 以后覺得沒意思,電子又從高能級躍遷回低能級去,這時為了滿足能量守恒定律,電子不會白白跌回去,而是會同時向外輻射出一個光子,這就發(fā)光了。注意這時電子是自己不想當(dāng) VIP 了所以跳回去,因此叫做自發(fā)輻射。自發(fā)輻射的特點就是各個光子之間相互獨立,沒有規(guī)律,所以普通電燈發(fā)出的光是射向四面八方的,并且輻射的頻率也不確定,比如發(fā)白光的日光燈就包含七種單色光,白熾燈所發(fā)的黃光也不是真正的單色光,而是包含了一定的波譜寬度的。
音樂會上的激光燈
激光之所以區(qū)別于普通光源,就在于其發(fā)光機(jī)理是受激輻射。在介紹受激輻射之前,我們先來看看激光這個名字的由來。想必大家知道激光的英文名 Laser,年紀(jì)稍長的朋友可能還租過鐳射影碟,“鐳射”就是英文單詞 Laser 的音譯。這個單詞并不是憑空新造的一個詞,而是取自激光本意 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的首字母縮寫,含義是“受激輻射的光放大”,即通過受激輻射產(chǎn)生的光經(jīng)過放大之后,中文名字的“激光”是在錢學(xué)森的建議下經(jīng)討論后正式采用的。
說來說去,那受激輻射究竟是什么呢?且看下面這張圖:
自發(fā)輻射(左)和受激輻射(右)
圖中水平的兩條橫線E2和E1表示電子的能級,越高表示電子的能量越高(VIP 等級越高),左邊自發(fā)輻射電子從高能級向低能級躍遷,同時輻射出一個能量等于兩能級能量差的光子;而受激輻射則是在外加光子的作用下,輻射出一個完全一樣的光子,這就是所謂“受激”的過程。這里再補(bǔ)充一下, hν在是一個光子的能量,其中h是普朗克常數(shù),可以不用管它,而ν則是光的頻率,它直接決定了我們看到的光的顏色,每一個頻率都對應(yīng)著一個確定的顏色,下表列舉了可見光所對應(yīng)的頻率和波長范圍(波長和頻率也是一一對應(yīng)的)。我們可以看到,紅橙黃綠青藍(lán)紫,光的頻率是逐漸增高的,這也就是為什么我們生活中看到溫度越高的光源,其顏色越偏向藍(lán)色。
預(yù)覽
前面已經(jīng)說到,受激輻射是在外加光場的作用下,產(chǎn)生一個完全相同的光子的過程。這個外來的光子,可以是自發(fā)輻射產(chǎn)生的,也可以是人為注入的種子光,總之它進(jìn)來了以后,出去的時候就會帶著一個一模一樣的好兄弟。所謂一模一樣,就是說兩個光子無法分辨,相當(dāng)于一個復(fù)制放大的過程,如果再這個過程的出口加上反射鏡,這兩個光子又被反射回來,再來一次受激輻射,變成四個光子,如此反復(fù),最終形成了激光。到此為止,我已經(jīng)簡要說明了激光產(chǎn)生的過程,但想必各位心中還憋了老多疑問,大家稍安勿躁,我待會會一一介紹,現(xiàn)在我們不妨來看看前述過程的幾個動畫,可以點右側(cè)的箭頭來播放。
激光產(chǎn)生的原理就是受激輻射,這個其實非常簡單,早在 1916 年愛因斯坦就已經(jīng)提出該理論。但要想制造出穩(wěn)定的激光器,還是破費一番周折,直到 44 年后方才實現(xiàn)。激光器有三大要素:工作物質(zhì),泵浦源(或激勵源),諧振腔。這三個陌生的名字只怕一看就令人望而生畏,其實只是紙老虎而已,聽我慢慢說來。所謂“工作物質(zhì)”,就是發(fā)光的東西,相當(dāng)于燈絲(對于第一臺激光器而言,工作物質(zhì)是紅寶石);而泵浦源,簡單可以理解為電源,通過通電不斷使得工作物質(zhì)的電子從低能級被泵浦到高能級,也就是激光器的能量提供者(VIP 贊助商)。諧振腔,其實就是兩塊反射鏡,我們看激光器的模型動畫:
對著這個動畫,我們再把激光產(chǎn)生的過程仔細(xì)解釋一遍。首先工作物質(zhì)被泵浦源充值為 VIP,產(chǎn)生了自發(fā)輻射。自發(fā)輻射的光子是射向四面八方的,大部分就溜走了,但是垂直射向反射鏡方向的光子卻被反射回來,由此不斷地進(jìn)行受激輻射的過程,不斷放大——這就是諧振腔的“自然選擇”過程。左邊這塊鏡子是完全反射的,右邊這塊鏡子則可以透過一部分,反射一部分,透過的那一部分就變成了激光輸出,反射的那一部分則作為投資的本錢繼續(xù)放大,最終就形成了連續(xù)穩(wěn)定的激光輸出。注意這里諧振腔如果是兩個平面鏡構(gòu)成,就叫做平平腔;也可以由一個平面鏡和一個凹面鏡組成,叫做平凹腔,所以業(yè)內(nèi)一向認(rèn)為賈平凹是搞激光的。
平平腔(左)和平凹腔(右)
想必各位已經(jīng)聽得不耐煩了:我只關(guān)心激光能干什么,你講這么多原理干什么?其實仔細(xì)看了上面的過程的童鞋就會知道,激光的特性與它發(fā)光的機(jī)理是分不開的:首先是受激輻射的過程保證了激光的單色性(每個光子的頻率都是一樣的,顏色也就唯一)和相干性(這對于全息術(shù)等應(yīng)用有重要的意義),通過諧振腔選出的光束具有很好的方向性(可以用于定向打擊、測距等),最重要的還是激光的高強(qiáng)度高功率特性。
下面我就專門來講講激光的應(yīng)用領(lǐng)域,你會發(fā)現(xiàn)多到難以想象,真的是無處不在。
我們身邊的激光
激光筆
首先回到我們開篇的問題,激光筆還有收銀員用的條碼機(jī)可能是我們生活中最常見、最便宜的激光器了。激光筆的功耗也很小,似乎也沒什么殺傷力,很難把它和我們印象里的威力巨大的激光聯(lián)系起來。但激光筆的的確確是一個固體激光器。激光筆一般都是紅色,也有藍(lán)色綠色的,但激光器是不會發(fā)出“白光”這樣的復(fù)合光的;而且激光筆可以傳輸很遠(yuǎn)的距離還能在墻上形成一個小光斑,這說明其方向性很好;如果你不小心直視了激光筆,那一下眼睛還是受不了的,可見在它管轄的很小的光束范圍內(nèi),所集中的能量還是很強(qiáng)大的。這些都是普通光源所無法實現(xiàn)的特性。
切記,不可直視激光筆!
激光加工
激光筆之所以便宜,就因為其功率低,工作物質(zhì)是常見的半導(dǎo)體器件,一般激光功率不大于 5 mW。我們平時生活中還會用到的激光打印機(jī)也是使用這樣低功率的激光器。不過,目前世界上功率最高的激光器已經(jīng)可以達(dá)到拍瓦量級(1015 W),相當(dāng)于全球電網(wǎng)平均功率的 500 倍。什么?比全球電網(wǎng)功率還高 500 倍?那誰給激光器供電呢?其實對于這種大功率激光器來說,都不是像激光筆那樣可以連續(xù)發(fā)光的了,而是脈沖式的:先讓激光在諧振腔里不斷振蕩放大,并不輸出;等積累到了一定的程度,忽然開閘泄洪,勢不可擋。這樣輸出的激光脈沖不僅能量大,而且脈沖持續(xù)時間極短,可以達(dá)到飛秒量級(10-15 s),也就是說在這樣短的一瞬之間,將所有的光全都釋放出去了,故而才有極高的峰值功率,因此常把這種激光器叫做超快激光器。
脈沖持續(xù)時間短是這種激光器具有巨大價值的重要原因,例如下面幾張激光加工的圖片就是小編自己在實驗室實現(xiàn)的。由于激光的脈沖時間短,激光剛剛射到我們的材料上,脈沖便即結(jié)束,迅速作用材料而不會因為巨大的能量導(dǎo)致熔化周圍的區(qū)域——如武林高手一般出手如電,材料還沒反應(yīng)過來就已經(jīng)被加工完成了。相比傳統(tǒng)機(jī)械或焊接加工,激光加工的優(yōu)勢在于可加工材料范圍廣泛,效率高,加工尺度極小,實現(xiàn)超精細(xì)“冷加工”。我們的手表等很多精密儀器其核心零件都采用激光加工的方式實現(xiàn)。
這是小編親手用激光雕刻做的超能網(wǎng)logo
小編用激光雕刻的樹葉
激光內(nèi)雕
這張激光內(nèi)雕的圖還需解釋一下,它是在一塊實心的玻璃內(nèi)部雕刻出來了一個三維的吉他的圖案。怎么能在內(nèi)部加工而不損傷外部呢?其實也很簡單,好比用放大鏡聚焦太陽光以后可以點著螞蟻一樣,通過控制激光的聚焦程度便可在不損傷外部玻璃的情況下穿透進(jìn)去,在我們需要的地方實現(xiàn)激光聚焦,進(jìn)行加工了。這樣高能、高精度、超短的激光脈沖還可以用于激光手術(shù),治療近視眼就是最典型的例子,實現(xiàn)微創(chuàng)甚至無創(chuàng)手術(shù)。
激光的各優(yōu)點的應(yīng)用:光纖、測距等
上述激光加工主要應(yīng)用的還是激光的高能、短脈沖特性,這里再簡單介紹幾個的其他優(yōu)點具有哪些應(yīng)用。
首先是單色性或相干性,在物理上這兩者實際上是等價的,這涉及到深奧的電磁理論,就不細(xì)講了。那么單色有什么好處呢?和我們最密切相關(guān)的是用在光纖通信中。要知道,光纖并不是真空的管子,而是類似于玻璃的介質(zhì),而不同顏色的光在介質(zhì)中傳輸時速度是不一樣的,這就是為什么白光經(jīng)過三棱鏡以后會分解成七色光——而激光的單色性就使得光信號在光纖中傳輸時不會發(fā)生這樣的色散,從而保證了通信的質(zhì)量;此外,為了提高信道的利用率,一條光纖中往往會傳輸多個光束,正因為其頻率不同,才可以進(jìn)行區(qū)分(這叫頻分復(fù)用技術(shù));更為重要的是,激光具有相干性,用它來攜帶信息才能解碼為電信號,供數(shù)字設(shè)備使用。激光的相干性在全息成像、全息防偽等應(yīng)用也是技術(shù)關(guān)鍵所在,全息術(shù)的實現(xiàn)者也在 1971 年被授予了諾貝爾物理學(xué)獎。
全息成像技術(shù)
激光的另一大優(yōu)點就是方向性好。這個最典型的應(yīng)用就是激光測距,從地球發(fā)出一束激光傳到月球表面,在月球表面的光斑直徑不過兩公里,足以反射回來完成測量。在某寶上也可以買到幾十幾百塊錢的激光測距儀,不過這樣的測距儀和激光筆一樣,也屬于半導(dǎo)體激光器,方向性不是特別好,只能測百余米的距離,想測月球那是萬萬不能了。小編曾經(jīng)做過改善這種測距儀的設(shè)計,使得其可以測到近千米的范圍。激光的方向性保證了它可以攜帶較高的能量傳輸極遠(yuǎn)的距離,激光測速、激光雷達(dá)乃至激光武器都是利用了激光的這一特性。
高端應(yīng)用:激光質(zhì)子放療、物質(zhì)成分檢測
講完了在日常生活里能接觸到的激光應(yīng)用,我們再來看看激光在前沿領(lǐng)域有哪些高大上的應(yīng)用。
2018 年的諾貝爾物理學(xué)獎,授予了光鑷技術(shù)的發(fā)明者。光是一種物質(zhì),也具有能量和動量,光照在物體時會產(chǎn)生壓力,稱為“光壓”。平時太陽光照在身上,產(chǎn)生的光壓微不足道,因此我們沒有察覺,但激光非同小可,通過激光形成的光鑷可以用于操控基本粒子乃至生物細(xì)胞這樣的微小事物移動排列,在物理學(xué)和生物學(xué)研究領(lǐng)域都有相當(dāng)重要的應(yīng)用。
利用此前所述的超快激光器所產(chǎn)生的巨大光壓還可以將電子和質(zhì)子從薄靶中打出,形成高能量的電子束和質(zhì)子束,可以用于癌癥的質(zhì)子放療。質(zhì)子放療的優(yōu)勢在于能夠精確獵殺癌細(xì)胞而不會損傷正常的組織細(xì)胞,這也是目前正在迅猛發(fā)展的研究領(lǐng)域。
激光驅(qū)動粒子加速
在建的激光質(zhì)子放療系統(tǒng)
激光作用在材料表面產(chǎn)生的等離子體也會輻射出光譜,通過測量這些光譜就可以分析出材料的物質(zhì)成分,比之傳統(tǒng)的化學(xué)檢測方法,有著微創(chuàng)、快速、準(zhǔn)確的優(yōu)勢,在珍貴的文物勘探、食品檢測、生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)勘探、海洋探測、太空探測等領(lǐng)域有著不可替代的作用。
激光檢測物質(zhì)成分
激光光壓不僅可以加速粒子,也可以使粒子減速,1997 年諾貝爾物理學(xué)獎的授獎內(nèi)容就是“激光捕捉及冷凍原子”,通過減速粒子達(dá)到激光冷卻的效果。光鑷的發(fā)明和這項技術(shù)是分不開的,2001 年諾貝爾物理學(xué)獎也是通過激光冷卻實現(xiàn)的,此外激光冷卻還在原子鐘、原子干涉儀等高科技設(shè)備里有著決定性的作用。
因激光的單色性所實現(xiàn)的光學(xué)頻率梳可以用于高精度的測量而獲得 2005 年諾貝爾物理學(xué)獎,超分辨熒光顯微鏡獲得 2014 年諾貝爾化學(xué)獎,等等不勝枚舉。這些我們平時難以接觸的前沿領(lǐng)域已經(jīng)越來越離不開激光的幫助,并越來越需要更強(qiáng)更快的激光器,激光和其他科技的發(fā)展相輔相成。
激光是互聯(lián)網(wǎng)之核心,現(xiàn)代制造業(yè)之基石
激光與半導(dǎo)體、計算機(jī)被譽(yù)為20世紀(jì)中期的三大發(fā)明,在誕生的半個多世紀(jì)以來為人類創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)財富。截至 2018 年,共有 28 為諾貝爾獎得主的研究領(lǐng)域與激光相關(guān)。激光,已經(jīng)成為我們賴以生存的科技社會的一個不可或缺的組成部分,激光是互聯(lián)網(wǎng)的核心,是現(xiàn)代制造業(yè)的基石,是感知世界的手段,是探索未知世界的工具,可以預(yù)見激光將會繼續(xù)在各個領(lǐng)域扮演重要的角色,其未來的發(fā)展將會不可限量。
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