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。
「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。
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。
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