周軍
60年前,美國物理學(xué)家西奧多·梅曼宣布世界上第一臺激光器誕生。這種顏色鮮亮、始終會聚在一起的光,成為人類在20世紀(jì)繼核能、電腦、半導(dǎo)體之后的又一重大發(fā)明。
60年來,激光被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域,被稱為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”,甚至有人將激光與太陽光并列,認(rèn)為它已成為人類生活中的重要部分。在人類走向未來世紀(jì)的路途中,激光還將承擔(dān)起更多重任。
談起激光,人們首先想到的可能是科幻大片中的激光武器,或是現(xiàn)代醫(yī)療中的激光手術(shù)刀,工業(yè)體系中的激光切割、焊接等。那么,激光究竟是如何產(chǎn)生的?它又有怎樣與眾不同的特點(diǎn),使它在近代光學(xué)中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷?
激光的問世,離不開物理學(xué)泰斗愛因斯坦的貢獻(xiàn)。1917年,他提出光的“受激發(fā)射躍遷理論”——普通光源自發(fā)輻射隨機(jī)產(chǎn)生的光子如同散漫的平民,而受激輻射發(fā)射的光子猶如一支紀(jì)律嚴(yán)明的“軍隊(duì)”,即光子的發(fā)射方向相同、波長相同,進(jìn)而大幅度地提高了光源的亮度和相干性,這就是激光。
目前,激光廣泛應(yīng)用于軍事、科研、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、航天信息以及娛樂生活中。因此,激光與原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體并稱為“20世紀(jì)人類的四大發(fā)明”。
激光由于其高能量、高方向性和單色性,在軍事領(lǐng)域常見的應(yīng)用有激光測距、激光制導(dǎo)、激光雷達(dá)等;在科學(xué)研究中,激光的主要研究方向有超快激光、高功率激光、激光與物質(zhì)相互作用、激光加速器、激光材料、激光化學(xué)等。
在工業(yè)界,激光可用于加工、切割大部分傳統(tǒng)工藝方法無法加工的超硬材料和稀有金屬等,以及3D打印特殊材料物質(zhì)——這些技術(shù)不僅適用于汽車、冶金、電氣儀表領(lǐng)域,在芯片刻蝕、制造中也有廣泛應(yīng)用。
在醫(yī)學(xué)界,激光技術(shù)同樣獲得了廣泛應(yīng)用。1960年,世界上第一臺紅寶石激光器研制成功。次年,紅寶石激光視網(wǎng)膜凝固機(jī)在眼科獲得首次應(yīng)用。到目前為止,臨床上使用的激光醫(yī)療設(shè)備已有幾十個品種,橫跨基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床診斷和治療等領(lǐng)域。
在航空航天、信息技術(shù)等領(lǐng)域,激光基于其通信頻帶寬、光通容量大、成本低等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)開始逐步替代無線電通信。
在娛樂生活中,同樣處處可見激光的身影,如激光投影、激光音樂噴泉、激光彩色內(nèi)雕等。激光已經(jīng)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(chǎn)和文明進(jìn)步作出了重要貢獻(xiàn)。
目前,激光冷卻技術(shù)能夠達(dá)到的最低溫度低于零下273.14℃,比傳統(tǒng)的磁致冷和稀釋制冷的溫度低四個量級,已非常接近絕對零度。
此外,激光還被廣泛應(yīng)用于通訊領(lǐng)域。近年來,大家耳熟能詳?shù)牧孔油ㄓ嵑土孔佑?jì)算機(jī)領(lǐng)域都離不開激光技術(shù)。目前,所有量子通信網(wǎng)絡(luò)中都必須依靠激光通信作為載體來輔助產(chǎn)生、傳遞、發(fā)送信號。
說起人工降雨,我們并不會感到陌生。在干旱的季節(jié),為了滿足農(nóng)業(yè)的雨水需求,人們常常會用飛機(jī)或者高射炮向云中播撒碘化銀等催化劑,它們可以在云中形成凝結(jié)核,使云中的水氣聚攏凝成水滴或冰晶,當(dāng)水滴達(dá)到一定的重量時,便會向下墜落,形成降雨。
過去的50多年里,人們一直在使用這樣的方法來進(jìn)行人工降雨,但是這種催化降水方式的效率同云層中本來含有多少水分息息相關(guān),因此很難預(yù)測。另外,碘化銀分子通過這種方式進(jìn)入大氣,會不會給環(huán)境造成不良影響,我們也很難判定。
科學(xué)家直接用激光射擊云朵,結(jié)果發(fā)現(xiàn),只要云朵本身含有的水分較多,就能成功地形成降水并增加降水量。
激光誕生60年來,已完全融入人類生產(chǎn)生活的方方面面。激光的發(fā)展還在繼續(xù),我們有理由相信,未來激光的廣泛應(yīng)用會讓人類生活得更加美好。