雷射應用:飛入尋常百姓家!雷射的前世今生

2021-01-20 乾道集團


六十年前的1960年5月16日,美國年輕的物理學家梅曼成功研製了人類歷史上第一臺雷射器——紅寶石雷射器,它能產生頻率單一、方向高度集中的光。它是20世紀能夠與原子能、半導體及計算機齊名的四項重大發明之一,對人類社會的發展產生了深遠的影響。


為了紀念這一重大的歷史事件,2018年聯合國教科文組織宣布:將雷射的誕生日,即每年的5月16日定為「國際光日」。



神奇的雷射


雷射是什麼?它為何具有如此重要的地位?


雷射是利用某些物質原子中的粒子受激發而發出的光,它與普通的光有所不同,其輻射出的光波具有相同的位相、頻率和振動方向。雷射的英文名稱叫「Laser」,是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 每個單詞首個字母的縮寫,如用中文加以解釋,就是「受激輻射的光放大」, 這實際上也反映了雷射器的工作原理。


雷射有別於普通光源,主要體現在三個方面:


首先,雷射方向性好,能量高度集中。


普通光源發出的光是發散的,面向四面八方,而雷射的發散角極小。據稱,人類曾在20世紀60年代使用過雷射來照射月球(月球上的反光鏡是美國登月時留下的)並返回地球,結果在月球表面上顯示的光斑方圓不到2千米。另外,正因為雷射發出的光子能集中在一個極小的空間內,所以能量密度極大,故強雷射甚至可以產生上億攝氏度的高溫。


普通光源發出的光波長範圍很寬,它不是真正意義上的單色光。而雷射則不同,因為它是受激輻射的光放大,因此它所發出的所有光子與外界激發它的光子是一模一樣的,故雷射的波長範圍很窄。


普通光源發光機理是自發輻射,不同原子產生的自發輻射光在頻率、偏振方向及傳播方向等方面都不相同,且雜亂無章;而雷射則不同,它的工作機理是受激輻射,因此所有光子與外界激發它的光子無論在頻率,還是偏振方向和傳播方向上都是相同的。所以,雷射的相干性很好,當用於光的幹涉實驗時,則很容易觀測到幹涉條紋,例如2016年探測到引力波的試驗裝置使用了麥可遜幹涉儀,它所採用的光源就是雷射。


「雷射」的中文名來自錢學森


那麼又是誰把雷射器的英文名稱叫「Laser」的呢?

  

他的名字叫戈登·古爾德(Gordon  Gould )。古爾德在第二次世界大戰快結束時畢業於名校耶魯大學,並獲得光學和光譜學碩士學位,隨後就去參加了製造原子彈的「曼哈頓計劃」。

  

1949年古爾德進入哥倫比亞大學攻讀博士學位,他的導師庫施(Kusch)很厲害,他曾因測量電子的反常磁矩而和蘭姆共享1955年諾貝爾物理學獎。



古爾德博士論文的題目是關於鉈的光抽運實驗來研製微波激射器(Maser),於是他就和發明Maser的同校教授查爾斯·哈德·湯斯交談過多次,共同的興趣使他們走到了一起。古爾德做夢都想成為一名發明家,於是他主動放棄了博士學位,加入到了一家小公司,他試圖說服這家小公司研製雷射器(實現比微波波長更短的範圍內的光放大),這家小公司一方面用古爾德的方案去向軍方申請專利,另一方面用他的方案去向軍方申請經費30萬美元。

  

有了經費以後,古爾德就開始了雷射器的研製。他把自己關在寓所裡,苦思冥想雷射器的研製問題,最終認識到必須要用法布裡-珀羅諧振腔才能產生相干光。他對諧振腔也進行了理論推算。雖然沒有湯斯和肖洛的理論嚴謹,但思路卻更廣。

  

於是他把整理出來的東西抄在實驗室用的筆記本上,標題就是「Laser(Light  Amplification by  Stimulated  Emission of  Radiation)」,  然後他跑到一家煙雜店,請店主作公證:在裝訂好的九頁紙上簽名蓋章,古爾德自己也在上面籤了字。作為報答古爾德還在此店買了一條香菸。

  

1958年,在一次學術會議上,古爾德亮出他在1957年的筆記本上的標題:Laser。這引起了會議主席阿瑟·肖洛的反對,但大多數與會者認為湯斯和肖洛的「光學Maser」叫法彆扭,並且不符合邏輯,怎麼既有光學又有微波?於是把這種器件叫做「Laser」,這就是英文「Laser」形成的由來。

  

「雷射」這個中文名詞,不是譯音,也不是外來語,在我國造出第一臺雷射器之後的頭幾年,也沒有這個詞,當時人們把 「Laser」 稱之為「量子放大器」「萊塞」「光受激發射」等等,但大家都感到很繞口。

  

1964年10月,中國科學院長春光機所主辦的《光受激發射情報》(其前身為《光量子放大專刊》)雜誌編輯部致信我國著名科學家錢學森,請他為Laser這種新光源取一個中文名字。錢學森教授很快便回信並建議:「光受激發射這個名詞似乎太長,讀起來費事,能不能改稱為雷射?」



同年12月,上海召開第三屆光量子放大器學術會議,這次會議由著名科學家嚴濟慈主持,會上討論了雷射器的取名問題,正式採納了錢學森的建議,將「通過輻射受激發射的光放大」的英文縮寫Laser正式翻譯為「雷射」。隨後,《光受激發射情報》雜誌也改名為《雷射情報》。此後,便有了「雷射」這一名詞。

  

中國大陸以外的華人世界,有把「Laser」翻譯成「鐳射」的,音是近了,但卻使人誤解與放射性鐳有關。


「最亮的光」「最快的刀」和「最準的尺」


自1960年雷射器發明後,雷射因其亮度極高、能量極大、顏色極純和方向性好這四大特性,在日常生活中,比如照明、切割、醫療、軍事上得到了廣泛的應用,被人們譽為「最亮的光」「最快的刀」和「最準的尺」,成為20世紀具有標誌性意義的技術進步之一。



大家知道,人類要想實現光通信,必須解決兩個難題:一是要有一個好的符合要求的光源,二是要有一個穩定又理想的傳輸介質。梅曼發明雷射器之後,一種新的光源——雷射就誕生了。由於這種光源具有良好的特性,亮度高、方向性好、單色性好,可以用來作為光通信的載波,這在很大程度上解決了過去很長時間裡一直困擾研究人員的光源問題,使得長期停滯不前的光通信揭開了新的一頁。光纖通信是指攜帶信息的光波(通常是雷射),以光導纖維為傳輸媒質的光通信。光纖通信具有許多特點,主要體現在「大」「好」「省」「長」「遠」等方面。「大」即通信的容量大,從理論上講,利用只有頭髮絲細的一對光導纖維可以同時傳送20億路電話和1000套電視節目。「好」即通信質量好,保密性能好,在光導纖維中傳播的光既不向外漏洩,也不發生幹擾。「省」能節省大量昂貴和稀缺的有色金屬,光纖是由天然石英經過高度提純後拉制而成,成本低廉。「長」即使用壽命比較長,光纖線路典型壽命是25年,比衛星壽命還長。「遠」即直通距離遠,光波在光導纖維中傳輸,能量衰減較小,而沒有中繼器的直達通信距離僅為10公裡以上。                        


雷射還可以運用於測量領域。測量是一項極其重要的活動,能測到更細微的領域,也就能發現新的世界。



我們可以利用X射線雷射來揭開蛋白質的神秘面紗。通過X射線衍射法可間接地研究蛋白質晶體的空間結構,幫助人們從原子的水平上了解物質。             

  

2018年諾貝爾物理學獎獲得者,美國物理學家阿瑟·阿斯金(Arthur  Ashkin),他的成就就是光學鑷子在生物系統中的應用。有了光學鑷子,我們就有了更好的測量工具,在不接觸被測物體的情況下,可以三維立體地觀察極細微的物體,這些物體可以是沒有生命的分子,也可以是構成生命基礎的蛋白質和DNA。依靠這項技術,我們可以更加深入地揭開生命的奧秘。

  


利用雷射方向性好的特點,我們可以把雷射運用於醫療。雷射手術以雷射代替傳統手術器械,對生物組織採用分離、切除、焊接、打孔等手段來去除病灶,吻合組織、血管、神經等。由於雷射是聚焦非常精準的高能量單色光束,因此雷射手術具有許多獨特的優勢,比如對周圍正常組織損傷很小,並且止血快,止血效果好,甚至有望達到手術中極少出血或無出血的效果。手術後,傷口癒合快。


2018年諾貝爾物理學獎的另一半獲獎者則是熱拉爾和唐娜,兩位科學家提出了製造高強度、超短波脈衝雷射的方法,即他們製造出了超強脈衝雷射。通過這種超強度脈衝雷射,我們可以把它用於眼科改善近視的治療,用這種超短波雷射做手術好處很大。

  

未來,雷射還可以用於驗證真空的量子電動力學效應。按照經典的物理描述,真空通常被認為是一個完全空白的空間,但是根據量子電動力學的原理,實際上真空中充滿了不斷出現又不斷消失的虛粒子。它能不斷地產生正物質和反物質,真空不是空的。利用超高強度的雷射,我們可以開啟對真空的探索之旅,在超強雷射的光場作用下,真空變成了有東西存在的空間,因此通過雷射可以來驗證真空的量子電動力學效應。當然前提必須要有一個超高強度的雷射器。


雷射應用:飛入尋常百姓家 


雷射走進了人們的日常生活,同時也加速了人類社會前進的步伐。除了軍事應用,雷射也有望在人們日常生活和工作中扮演更加重要的角色,例如雷射電視等。

  

什麼是雷射電視?雷射電視是採用雷射光源,並配備專業抗光增益屏來收看廣電節目,點播網際網路內容的第四代電視。

  


相比於第一代黑白電視、第二代彩色電視、第三代數位電視,經過三次技術的迭代,雷射電視將使用雷射光源的數字光處理(DLP)技術和電視技術結合形成第四代電視顯示技術。其中DLP技術還於2015年榮獲奧斯卡科學技術獎。


雷射電視的工作原理其實很簡單,光源採用極高功率的雷射光源,如紅、綠、藍三基色固態雷射器,或單色固態雷射器激發螢光粉發光光源,或用固態雷射器結合LED作為系統基色或混色光源,在每平米聚集了超過100瓦的光能量。雷射器發射出特定波長的光線,光線經過光束整形或經過顏色轉換後,進入成像系統。成像系統一般對光源所發出的光線進行整形,並且採用DLP技術或LCOS技術(一種採用有源點陣反射式液晶顯示技術)進行微顯示及圖像顯示。


雷射電視必須有一個高速旋轉的螢光粉色輪,在色輪上分段塗上不同顏色的螢光粉,當色輪高速旋轉的同時,就可以實現不同基色光的發射。


乾道聚焦新興產業,助力技術創新


雷射產業是集知識資本、人力資本和產業資本高度聚合的服務型製造高新產業,其未來的可持續發展需要雷射產業擺脫傳統產業低技術含量、低附加值競爭的模式。此外,國內雷射行業和企業需進一步提高先進光源的研發力度,尤其是突破核心晶片、關鍵元器件等方面的工業化生產能力;同時,要提升雷射高端裝備的設計製造能力,推動中國雷射製造大國向製造強國的轉變。


乾道集團秉持「金融服務產業」理念,緊跟國家政策引領,聚焦新一代信息技術、生物醫藥與醫療科技、新能源、新材料等戰略性新興產業。
目前,在戰略新興產業上,乾道已積累了一大批優質項目。集團所布局的著眼點,立足於聚焦於技術創新、能夠帶動產業升級、具備顯著經濟效益的高端製造和科技創新類項目,如雷射產業——卡門哈斯。


乾道集團始終堅持「實業報國」的初心,根據國家頂層戰略與產業規劃,在產業投資領域不斷布局,聚焦於技術創新、能夠帶動產業升級、具備顯著經濟效益的高端製造和科技創新類項目。未來,乾道將積極開拓金融賦能產業的創新產業合作模式,以資本運作、人才引進、運營管理等創新賦能方式全力支持高新技術產業發展,深度參與實體經濟創新發展。


風險提示:投資有風險,入市需謹慎!本文僅作為知識分享,不構成任何投資建議,對內容的準確與完整不做承諾與保障。過往表現不代表未來業績,投資可能帶來本金損失;任何人據此做出投資決策,風險自擔。信息發布方不承擔任何法律、法規及相關責任。



相關焦點

  • 11位院士齊聚中國北鬥應用大會 北鬥飛入尋常百姓家
    11位院士齊聚中國北鬥應用大會 北鬥已「飛入尋常百姓家」中新網武漢9月23日電(郭超凱)中國北鬥應用大會暨中國衛星導航與位置服務第九屆年會23日在武漢開幕。中國衛星導航定位協會供圖「2019年,以北鬥應用發展為核心的中國衛星導航與位置服務產業總體產值已達到3450億元,與2012年北鬥正式提供服務時相比,總體產值增長了4倍。」中國衛星導航定位協會會長於賢成在致辭中說。本屆大會以「推進北鬥應用、壯大新興產業」為主題,拓展北鬥融合應用新領域,培育中國衛星導航與位置服務產業的北鬥特色。
  • 白蟻飛入尋常百姓家,該如何是好?
    正好遇到白蟻繁殖婚飛季,在傍晚的時候19:00——21:00就會飛入尋常百姓家。 3—6月份白蟻婚飛季節,家中的門窗都要設置沙門紗窗,防止白蟻飛入室內,因為一旦有分飛蟻飛入室內,只要配對成功就會尋找合適的地方築巢危害。方法 :對付這種通過「爬、飛、帶」進來不久的分飛蟻,很好滅殺,只需關掉燈,在室內放盆水,然後用手電筒照向水中,這樣室內的分飛蟻都會接二連三的趨光飛入水中,並淹死。
  • 齊齊哈爾:百姓宣講志願同行 讓政策理論「飛入尋常百姓家」
    自開展「百姓宣講 志願同行」理論宣講主題活動以來,黑龍江省齊齊哈爾市委宣傳部突出圍繞理論政策的重點、社會生活熱點和群眾關注焦點,充分發揮鶴城志願者在理論宣講中的主力軍作用,不斷深化拓展新時代文明實踐中心建設,築牢理論宣講志願服務平臺。
  • 潘建偉:遠沒到「飛入尋常百姓家」地步
    潘建偉:遠沒到「飛入尋常百姓家」地步 據經濟之聲《天下財經》報導,網際網路催生了許多新經濟形態,但是「新」未必是創新,需要冷靜分析。黨的19大提出建設現代化經濟體系,建設創新型國家。我們要鼓勵創新、倡導創新、包容創新,也要特別注意維護創新。
  • ——「飛入尋常百姓家」
    然而,機器人想要真正走入尋常的百姓生活,成為人類生活中好幫手,所欠缺的恰恰是這一步。人類能大量地運用無意識的運動範疇 ——我們知道如何給別人友好的讓路,如何察覺到自己侵犯了別人的隱私空間,我們自然也知道如何從冰箱裡取出一盒牛奶而不必移開所有擋在前面的道路上的物體。而我們也希望機器人可以這樣做。然而問題就在於,機器人可能會「粗暴」地把牛奶盒拿出來,而把躺在前面「擋路的」物體都拿光。
  • 中國酵素城 讓環保酵素飛入尋常百姓家
    「中國酵素城始終將環保酵素研發生產納入酵素產業發展的重要環節,在不遠的將來,環保酵素這一新興產業一定會飛入尋常百姓家
  • 古詩「舊時王謝堂前燕,飛入尋常百姓家」說的原來是這裡
    南京秦淮河旁有個著名的烏衣巷,舊時的烏衣巷是上流名士與貴族們聚集的地方,也是詩人頻繁創作的源泉,其中最有名的當屬劉禹錫那首《烏衣巷》,詩中流傳最廣的一句「舊時王謝堂前燕,飛入尋常百姓家」所指的就是這裡。其實王導和謝安並不是同一代人,但卻同樣受著當時人們的推崇。
  • 千兆光纖已覆蓋 8000 萬戶,雙千兆如何飛入尋常百姓家
    工信部已經出臺了 《千兆城市建設指標體系》,要在 300 個以上城市部署千兆寬帶,並開展千兆寬帶應用示範。目前,全國已有超過 300 個城市具備千兆寬帶接入能力,千兆覆蓋用戶超過了 8000 萬戶。那麼,雙千兆如何飛入尋常百姓家呢?千兆覆蓋用戶已超 8000 萬就在筆者剛畢業工作時,國家還在推動 「光進銅退」,各種民營寬帶運營商風生水起。
  • 三翼鳥「智慧中國家」飛入尋常百姓家
    另一方面,清華大學教授李稻葵曾預測,到2035年國內潛力新中產家庭數量將從4億攀升至8億,他們最核心的訴求是什麼,無疑是「擁有一個溫暖的家。」應運而起的海爾智家三翼鳥、華為智慧家、小米智能家居等等品牌,都贏得了發展紅利。
  • 中科院長春光機所:雷射技術的「前世今生」
    但如果是在外來光子直接作用下由高能級向低能級躍遷時將多餘的能量以光子形式釋放出來(受激輻射),被釋放的光子則與外來的入射光子在頻率、位相、傳播方向等方面完全一致,這就意味著外來光得到了加強,我們稱之為光放大。
  • 雷射電視工作原理 海信雷射電視優缺點價格
    我們判斷,隨著雷射電視的系列化,2016年將成為雷射影院電視發展的元年,雷射電視將和70寸以上超大屏幕LCD電視展開正面競爭。」   海信及時把握了產業轉型和升級的重大機遇,雷射影院電視的批量上市也將激活超大屏幕電視市場,在國內和國際市場都會有非常強的競爭力。本次推出的第二代雷射電視在原有的技術優勢外,新增了多尺寸的覆蓋,從85寸、100寸,到120寸,滿足應用場景的需求。
  • 獨家專欄 | 固態雷射雷達的前世今生
    主要原因還是雷射雷達的種類太多,分布十分廣泛,性能挖掘潛力巨大。雷射雷達:「三大類」和「四部分」雷射雷達按重點提供的內容可以分為三大類:一類是類似毫米波雷達,重點提供目標的速度、距離和方位角,如 IBEO 的 4 線或單線雷射雷達,某些固態雷射雷達也是如此,如通用剛剛收購的 Strobe。
  • 孔雀飛進尋常百姓家:小夥靠養孔雀年入十萬!
    耿天時養孔雀鼓起了腰包,這也吸引了不少人來參觀學習,耿天時也樂於分享經驗,從來都是毫無保留的講述經驗、傳授技術,用他自己的話就是要讓孔雀賣到北京、上海,而且要讓孔雀飛進尋常百姓家。耿天時告訴我們:他有一個計劃,打算以「基地+農戶」的形式進行合作,然後以網際網路平臺作為依託進行銷售,預計今年發展本村養殖戶3—5戶,然後帶動大家共同致富。
  • 野生朱䴉唯一種源地:舊時瀕危鳥 飛入百姓家
    野生朱䴉唯一種源地:舊時瀕危鳥 飛入百姓家 2019-02-11中新社記者 鍾欣 攝     中新網漢中2月11日電 題:(新春走基層)野生朱䴉唯一種源地:舊時瀕危鳥 飛入百姓家  中新網記者 李姝徵  11日,冬日的漢江河清冷寂寥,數隻頭頸鮮紅,背羽雪白,翅下泛著粉色光彩的奇異大鳥從江面掠過。「這就是朱䴉。」村民隨手一指,不在意地說。
  • 從皇家特典到時尚潮牌:飛魚服如何「飛入尋常百姓家」的?
    明英宗朱祁鎮在位期間,曾對工部官員下令,「凡有織繡蟒龍、飛魚、鬥牛等違禁花樣者,工匠處斬,家口發邊衛充軍。」朱祁鎮的孫子朱佑樘也在此問題上做過努力。弘治元年,都御史邊鏞上奏請禁蟒服,奏摺中,邊鏞對服飾上的蟒紋提出質疑:「蟒蛇本該沒有角也沒有爪子,現在的內官獲賜的蟒服全是龍的形狀,實在不成體統。」他建議將受賜官員的蟒服盡數收繳,也不許再織造,違者嚴懲。孝宗皇帝也認為有理,遂頒布命令禁止私造賜服。
  • 南陽熱門高精密光纖雷射切割機有哪些_飛全雷射
    2020年10月30日,飛全雷射報導:南通定做高精密光纖雷射切割機廠家報價,飛全雷射歷時10年,致力於雷射設備、雷射工藝的研發與應用,並與國內外多家知名雷射器生產企業,多家知名院校、科研機構保持緊密戰略合作,完成了工業雷射設備生產製造產業鏈與雷射應用技術的資源整合,先後推出智能化工業雷射打標設備、智能化3D雷射打標設備等,並擁有多項專利技術
  • 滷素/氙氣/LED/雷射大燈都是啥意思?
    特別是一些人買車之後,在對向來車時看見別人家的車燈非常亮,而自己的車燈連路都照不清楚時,往往才意識到車燈的重要性。目前,LED大燈正在成為汽車上主流的配置,甚至是10多萬元的車型上也有裝配。汽車燈光技術的研發與應用,與汽車科技的不斷迭代是同步的。從滷素大燈,到氙氣大燈,再到如今逐步普及的LED大燈。或許在5年、10年以後,雷射大燈也許會成為量產車的標配。
  • 雷射衝擊強化技術進展及應用
    這種由透明約束層與吸收塗層的組合方式也成為了雷射衝擊強化的典型模式。當時由於缺少性能可靠、短脈衝高功率密度的雷射器,雷射衝擊強化技術未能得到實際應用。1984年,美國勞倫斯∙利弗莫爾國家實驗室(LLNL)成功研製出世界上第一臺具有板條結構的釹玻璃雷射器,促進了雷射衝擊強化技術的發展。
  • 偏振雷射的應用
    李小川 廖雲電子科技大學光電信息學院摘要:本文通過介紹偏振雷射的Stokes矢量表示法、偏振度、解偏度的概念來說明偏振雷射的應用,如水下成像技術以及醫學上的診斷應用。如果在知道入射光的偏振信息,通過Mueller矩陣就可以計算出散射光的偏振狀態,通過比較散射光與入射光之間的偏振度,可以分析散射介質的一些特性。由Mueller矩陣決定的散射光的解偏度(DOP)定義為:D取值範圍為[l,4]。對於完全解偏情形,D=1;散射光處於部分偏振狀態時1<D<4;散射光與入射光偏振態保持一致對應於完全保偏,D=4。
  • 點翠,舊時王謝堂前燕,飛入尋常百姓家
    今天和大家一起分享髮飾--點翠飾品的前世今生。一、傳統首飾及藝術造詣的巔峰代表之一點翠工藝生自漢代,是一項傳統的金銀首飾製作工藝。是我國傳統首飾,及藝術造詣的巔峰代表之一。《妝匣遺珍》中記載:點翠的製作時,先以金銀片製成特定形狀的底託,四周圍一圈金絲或銀絲,依形粘貼翠綠色羽毛。