雷射物理學和化學

雷射物理學和化學

雷射物理學是研究雷射的產生以及雷射與物質相互作用的一門新學科，它包括雷射器理論、非線性光學、強光物理、量子光學、雷射光譜學和超短光脈衝物理學等分支。雷射器理論的研究內容包括雷射產生的條件、雷射共振腔的形式和性質、雷射形成的機制、雷射器的最佳工作狀態、輸出特性、傳輸性質等等。

下面簡單地介紹一下非線性光學、強光物理、量子光學、雷射光譜學和超短光脈衝物理學等學科分支的含義。非線性光學研究高強度光在介質中傳播的特殊規律。假定有一塊透明材料，它不吸收光。當一束光通過這塊材料時，會發生什麼現象呢？經驗告訴我們，一束紅光通過透明介質後仍是紅光，一束綠光通過後仍是綠光，即光的頻率是不變的，而且光在均勻的介質裡是直線傳播的。滿足這些規律的，叫做線性光學現象。

但是，當光強增加到某個數值之後，新的現象出現了。例如入射光是波長為1.06微米的紅外線，經過像鈮酸鋰一類非線性晶體之後，一部分紅外線轉變為0.53微米的綠光，光的頻率改變了，而且，即使是在均勻的介質裡，光也不是直線傳播的，光束會自動地會聚或發散，叫做自聚焦或自散焦。非線性光學正是研究光的頻率變換和光在介質中非直線傳播以及材料對光的吸收率隨光強的變化而變化的規律等。在雷射出現之前，沒有很強的光源，非線性光學現象是種罕有現象。非線性光學是緊跟著雷射技術發展起來的新學科。

倍頻技術已在前邊介紹過了。除此以外，當兩束不同頻率的強雷射通過非線性晶體時，能輸出頻率為兩者之差或兩者之和的光波，稱為「差頻」與「和頻」。非線性光學為材料研究提供了新的數據，為強光測量提供了新的方法。雷射功率密度達到一定水平之後，被輻照的物體會熔解、氣化等，用術語說，強光引起物質「相變」，這種現象的研究屬於強光物理的內容對於金屬，當照射雷射的功率密度達到每平方釐米幾兆瓦時，就會熔融、濺射和氣化，更高的功率密度還可能使輻照區形成局部等離子體狀態，甚至爆炸。對於透明介質，雷射功率密度超過幾千兆瓦之後，可以引起擊穿，以至炸裂，通常稱為雷射損傷。強雷射在氣體和液體中也會發生擊穿等強光現象。

強光物理是雷射材料加工、雷射核聚變和雷射武器等應用研究的理論基礎。強光損傷現象又是發展高功率雷射器的重要障礙之一，因此，強光物理又是研究大型高功率雷射器的一個組成部分。在強光物理中，還出現了「金屬透光」、「半導體透光等些新現象，這些現象還沒有得到正確的理論解釋。

從前邊的介紹可知，近代量子物理是從對光的本質的深入研究開始的。但是，在量子力學得到系統發展之後，人們對光的認識卻沒有進一步深化。當涉及到光的發射和吸收的時候，把普朗克和愛因斯坦的光子、自發輻射和受激輻射等概念撒來用一下，在討論光的傳播現象時，還是經典的麥克斯韋那一套，半個多世紀以來，光學一直處在這種混雜的狀態之中。許多科學家試圖尋找光的新的量子現象，但成效不多。雷射的出現使光的量子效應的研究又活躍起來，形成了量子光學新分支。在短脈衝雷射的作用下，出現了「光子回波」、「相干自發輻射」、「章動」等一些新現象。量子光學從量子物理的高度統一地研究光源、光和光的接收器。

雷射技術把光譜學也推進到一個新的發展階段，形成了雷射光譜學。光譜是打開物質微觀結構的一把鑰匙，每一種物質都有特殊的光譜，它反映了原子的內部結構，原子的能級分布等重要性質，提供了了解物質微觀結構的重要信息。長時期來，對於光譜儀器、激發光譜的方法和探測器的不斷改進，幫助人們步一步地加深了解物質能級結構的精細程度。

光譜儀器有一個重要指標，叫做解析度。高解析度光譜儀的解析度為一百萬，即能辨別波長差為波長的一百萬分之的兩條光譜線。目前，雷射光譜技術的解析度可達一百億，比高解析度光譜儀提高了近萬倍。雷射光譜學有許多特殊的研究方法，例如從微波技術中引伸過來的雙共振方法，利用超短雷射脈衝激發的相干共振方法，研究更多的是飽和吸收光譜技術和雙光子吸收、多光子吸收光譜技術。

在雷射光譜技術中，需要把雷射的波長調諧到與物質的能級共振。因此，穩定的、單色性很好的可調諧雷射器是雷射光譜學研究的必要工具之一。鎖模雷射器的發展促進了超高速物理現象的研究。物質內部傳遞能量的速率有快有慢。對於大量快速的物理化學或生物物理現象，因為沒有快速信號源和接收設備，過去只是間接地有所認識。微微秒雷射器的發展為研究快速過程提供了信號源，因此，可以研究像光合作用、視覺過程、固體物理中的激子衰變等快速變化過程，促成了一門超短脈衝物理學的新學科分支。

雷射在化學領域的應用到七十年代才真正開始。由於它的成果顯著，前景光明，因此很快形成了一門新興的邊緣學科——雷射化學。在雷射同位素分離一節中我們已經知道，利用雷射的極好單色性能使分子有選擇地被激發到特定的能級，高度選擇地催化化學反應。這是雷射化學的重要內容。

根據愛因斯坦的光化定律，一個分子只能被一個光子激發。因此傳統光化學大多採用紫外光或可見光作光源。但是，用雷射作的光化實驗卻表明，一個分子可以吸收不止一個光子。特別是在高功率紅外雷射的輻照下，分子有可能吸收許多個紅外光子，爾後被激發或解離，引起一系列的化學反應。這就開拓了光化學的新領域—紅外光化學。在超短脈衝雷射的照射下，分子在一瞬間吸收了很多光子之後，來不及把能量轉移到別處去，在某一化學鍵上集中了很大的能量，能使這個化學鍵斷裂。因此，隨著雷射化學和各種合成方法的發展，人們有可能實現「分子裁剪」，即根據預定的方式實現化學反應。有人預言，雷射將促使製備化學和合成化學發生革命性的變化。

雷射化學中研究較多的是氣相反應。近來，凝聚態雷射化學反應的研究也很活躍。凝聚態雷射化學對於核燃料的後處理和分離性質相近的無機化合物等方面，有一定的實際意義，對於生物化學和藥物化學也有很大的促進作用。利用超短脈衝的雷射，可能選擇性地切斷生物大分子的某些化學鍵，改造基因，促成可控變異。

雷射在化學動力學、分子結構、化學鍵等理論化學課題的研究中也是很有用的工具。雷射還可以誘發化學反應，催成一些不易發生的反應和提高轉化效率。這在石油化工和塑料合成等方面是很有用的。除了雷射物理和雷射化學這兩大類之外，雷射在地球物理學、天文學、生物學、醫學等領域內也很受重視，正在形成新的學科分支。雷射已經進入了幾乎所有的科學技術領域之中。