60年前,人類製造出了一種神奇的光,從此它與陽光並列……

60年前的7月7日，美國物理學家西奧多·梅曼宣布世界上第一臺雷射器誕生。這種顏色鮮亮、始終會聚在一起的光，成為人類在20世紀繼核能、電腦、半導體之後的又一重大發明。

60年來，雷射被廣泛用於各種領域，被稱為「最快的刀」「最準的尺」「最亮的光」，甚至有人將雷射與太陽光並列，認為它已成為人類生活中的重要部分。在人類走向未來世紀的路途中，雷射還將承擔起更多重任。

作為一門歷史悠久的學科，光學的最早出現可以追溯到2000多年前。中國《墨經》中記載的小孔成像、古希臘歐幾裡德《反射光學》都對光學進行了原始探索。

1960年，美國休斯飛機公司工程師西奧多·梅曼發明了人類第一臺雷射器，這讓光學再次煥發青春活力。60年來，雷射科技經歷了一場飛躍式發展。

談起雷射，人們首先想到的可能是科幻大片中的雷射武器，或是現代醫療中的雷射手術刀，工業體系中的雷射切割、焊接等。那麼，雷射究竟是如何產生的？又有怎樣與眾不同的特點，使它在近代光學中引領風騷？

紀律嚴明的光子「軍隊」

雷射的英文叫LASER，而LASER實際上是「受激輻射光放大」這幾個英文詞的縮寫。在國內，雷射最早叫「受雷射發射」。1964年，我國著名科學家錢學森建議，將 「受雷射發射」按照中文意思的縮寫，改稱「雷射」。

雷射的問世，離不開物理學泰鬥愛因斯坦的貢獻。1917年，他發表了《關於輻射的量子理論》的論文，其中提出受激發射躍遷理論——普通光源自發輻射隨機產生的光子如同散漫的平民，而受激輻射發射的光子猶如一支紀律嚴明的「軍隊」，即光子的發射方向相同、波長相同，進而大幅度地提高光源的亮度和相干性，這就是雷射。

目前，雷射廣泛應用於軍事、科研、工業、醫學、航天信息以及娛樂生活中。因此，雷射與原子能、計算機、半導體並稱為「20世紀人類的四大發明」。

雷射由於其高能量、高方向性和單色性，在軍事領域常見的應用有雷射測距、雷射制導、雷射雷達等；在科學研究中，雷射的主要研究方向有超快雷射、高功率雷射、雷射與物質相互作用、雷射加速器、雷射材料、雷射化學等。

在工業界，雷射可用於加工、切割大部分傳統工藝方法無法加工的超硬材料和稀有金屬等，以及3D列印特殊材料物質——這些技術不僅適用於汽車、冶金、電氣儀表領域，在晶片刻蝕、製造中也有廣泛應用。

在醫學界，雷射技術同樣獲得了廣泛應用。1960年，世界上第一臺紅寶石雷射器研製成功。次年，紅寶石雷射視網膜凝固機在眼科獲得首次應用。到目前為止，臨床上使用的雷射醫療設備已有幾十個品種，橫跨基礎醫學、臨床診斷和治療等領域。

在航空航天、信息技術等領域，雷射基於其通信頻帶寬、光通容量大、成本低等優點，已經開始逐步替代無線電通信。

在娛樂生活中，同樣處處可見雷射的身影，如雷射投影、雷射音樂噴泉、雷射彩色內雕等。雷射已經融入人們的日常生活，成為不可或缺的重要工具之一，為人類生產和文明進步作出了重要貢獻。

緊跟世界腳步的中國雷射技術

早在1917年，雷射的物理原理就被愛因斯坦提出。然而，要實現這種受激輻射，必須將本來處在低能態的電子「運輸」到較高的能態，用專業術語描述就是需要泵浦源實現粒子數反轉。

1951年，美國物理學家珀塞爾和龐德在實驗中通過傳統光源泵浦實現了粒子數反轉，並獲得了每秒50千赫茲的受激輻射，成功驗證了愛因斯坦的理論。

隨後，美國物理學家查爾斯·湯斯提出了「利用受激輻射原理來製造釐米微波振蕩器」的設想。這一創造性想法成功開創了一條利用原子分子體系作為振蕩器的先河。

1954年，湯斯製成了世界首臺氨分子束微波激射器，並且輸出了單一頻率的、相干性非常好的微波。但這束微波功率太小、波長太長，缺點十分明顯。

1958年，湯斯與阿瑟·肖洛合作發表了名為《紅外與光學量子放大器》的論文。該文通過理論計算，給出了光學振蕩條件，並提出了提升輸出光功率的關鍵方法——採用開放諧振腔。

隨著該方案的提出，又過了兩年，也就是1960年，美國加利福尼亞州休斯實驗室的西奧多·梅曼成功利用紅寶石作為增益介質，實現了世界上首臺雷射器的輸出（固體雷射器）。緊隨其後，首臺氣體雷射器氦氖雷射器、半導體雷射器、釹玻璃雷射器、化學雷射器、染料雷射器等相繼誕生。

▲目前，中國已建成世界最高峰值功率的羲和雷射裝置、神光項目等高功率大能量雷射器。 （上海光機所神光II裝置供圖）

在雷射器技術發展上，我國一直緊跟世界腳步。1961年，王之江院士團隊研製成功中國第一臺雷射器（紅寶石固體雷射器）。1962年至1963年間，我國首臺釹玻璃雷射器、氦氖雷射器、半導體雷射器相繼問世。

隨著雷射技術的快速發展及其展示出的強大應用前景，1964年，我國規模最大的雷射科學技術專業研究所——中國科學院上海光學精密機械研究所成立。經過五十多年的發展，該所已成為以探索現代光學重大基礎及應用基礎前沿、發展大型雷射工程技術，並開拓雷射與光電子高技術應用為重點的綜合性研究所。

除了通過受激輻射產生雷射外，1971年，美國史丹福大學博士生約翰·馬代還提出了 「通過自由電子為增益媒質而產生，波長脈衝可自由調節」的新型雷射，並在1976年實現了10.6微米雷射放大。

自由電子雷射具有頻譜範圍廣、頻率連續可調等優點，目前已成為最新一代的光源。在自由電子雷射領域，我國於1993年完成了首臺自由電子雷射器的建設，又於2018年投資近百億元，在上海張江綜合性國家科學中心建設「硬X射線自由電子雷射裝置」。

雷射的下一個甲子更美好

近年來，隨著科學技術的發展，雷射器的各項指標有了飛躍式的提升。

在峰值功率上，由上海光機所建造的「超強超短雷射實驗裝置」 （又稱「羲和雷射裝置」）已輸出10拍瓦雷射。這個功率相當於全球平均電網功率的4000倍。通過聚焦後，該裝置產生的雷射功率可達每平方釐米1022至1023瓦，其強度相當於將10個太陽發射的光聚集到一根頭髮絲上。

如此極端強度的雷射可用作加速器，幫助科學家獲取高能電子束、離子束，甚至還能產生X射線、γ光、正負電子對。相較於傳統加速器，雷射加速器的優勢在於加速梯度可提升一萬倍左右。這意味著，把電子加速到非常接近光速，只需幾個釐米的加速距離。

如此獲得的高能粒子束，不僅可用於開展核物理相關研究，還可用於醫學成像、放射化療等。此外，如此強的雷射還能用於引雷、誘導人工降雨降雪等。當雷射功率密度進一步提升到每平方釐米1024瓦，將可用於探索真空特性，包括真空雙折射、真空中產生正反物質等。

在雷射輸出能量上，目前最強的是美國加州利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置，可以在一億分之一秒內釋放兩百萬焦耳的能量。該雷射器主要用來研究以雷射束作為驅動源的慣性約束可控聚變。此外，它還可用於研究實驗室天體物理相關過程、溫稠密物質特性等高能量密度物理相關課題。目前，與該裝置相當的雷射器還有中國的神光項目、日本大阪大學的LFEX、法國的兆焦雷射器LMJ等。

雷射技術不僅在高功率、大能量方面有了飛躍式發展，在製冷領域的發展也不容小覷。目前，雷射冷卻技術能夠達到的最低溫度可達10-9K(低於-273.14℃)，比傳統的磁致冷和稀釋製冷的溫度低四個量級，已非常接近絕對零度。在這樣的極端低溫下，不僅可以探究物質的「第五狀態」——波色-愛因斯坦凝聚態，還可用作最精確的時鐘。我國2016年研製的天宮二號「空間冷原子鐘」，成為國際首臺空間在軌運行的超高精度冷原子鐘，比其他在軌運行的原子鐘精度提高兩個數量級。

此外，雷射還被廣泛應用於通訊領域。近年來，大家耳熟能詳的量子通訊和量子計算機領域都離不開雷射技術。目前，所有量子通信網絡中都必須依靠雷射通信作為載體來輔助產生、傳遞、發送信號。

雷射誕生60年來，已完全融入人類生產生活的方方面面，任何一張圖表都很難將所有對雷射做出貢獻的人物逐一列出。或許正如諾貝爾獎得主、美國加州理工學院教授艾哈邁德·澤韋爾所說：「沒有光就沒有文明，太陽光和雷射已經成為我們生活的重要部分。」雷射的發展還在繼續，我們有理由相信，下一個甲子，雷射會讓生活更美好。

>>>相關連結：

雷射的特性

高亮度

單位面積內，雷射中頻率相同的光子數目很多，因此可以達到很高的亮度。例如，普通紅寶石雷射器所產生的雷射亮度約為太陽表面亮度的10億倍。

方向性

雷射中的光子傳播方向基本一致。同樣一束初始光斑只有幾釐米的光，若將這樣一束普通光源從地球表面打到38萬千米外的月球上，其光圈直徑會擴大到1萬千米以上；而通過對實驗室中的氦氖雷射進行擴束後，照射到月球上的光圈直徑僅約2千米。

單色性

如果把雷射比作一支軍隊，那麼軍隊中的每個光子「士兵」的頻率幾乎完全一致，即光的波長近乎相同。就如國慶閱兵方陣，每位士兵的步伐頻率、步幅大小几乎完全相同。這就是雷射的單色性。

相干性

雷射的光強分布會出現穩定的強弱相間現象。這是因為雷射的頻率、振動方向、相位高度一致，使得雷射可以形成穩定的幹涉圖樣，可應用在全息攝影術、相干斷層掃描等領域。

作者：伍藝通

編輯：李晨琰

責任編輯：許琦敏

*文匯獨家稿件，轉載請註明出處。|圖：視覺中國