创造奇迹的光

创造奇迹的光

提到激光，不少人会觉得“耳熟”。但说到CD唱片、VCD视盘、计算机光盘，恐怕已进入了大多数人的家庭，而这些“盘”中信息的“写入”和“读出”实际上靠的就是激光。也就是说。激光并不神密，已在悄悄地走进了寻常百姓的千家万户。但是，什么是激光？怎样得到激光？为什么用它来录入和读出信息？它还有哪些方面的应用？我想，这些一定都是你急切想要知道答案的问题。

什么是激光？顾名思义，激光首先是“光”。即从本质上讲，它也是电磁波和光子流（光有波粒二象性），且一定波长范围的激光也应显色。但激光多了一个“激”字，因此它又不同于普通光，下面通过激光的产生说明什么是激光：处于较高能量E₂的“亚稳态”的某种原子或分子，由于受到能量ε＝hν＝E₂－E₁的入射光子的影响，跃迁到较低能量E₁的“终能态”（注意！不是基态），并将所相差的能量（E₂－E₁）以光子的形式放出。显然，辐射出的光子与入射光子在频率、传播方向和位相方面完全相同，两种光子的关系见图4—6，这种辐射现象叫“受激辐射”，所辐射出的光子叫“受激光子”。

入射光子在由亚稳态粒子构成的媒体中传播时，连续发生受激辐射，产生的受激光子越来越多，它们又可充当入射光子的角色，产生出更多的频率、位相和传播方向完全雷同的光子，彼此间发生了加强性干涉，因而得到一束与入射光波长相同，但强度大为加强的“强光”。这种由于受激幅射而得到的强光就是“激光”。

图4－6　光子的受激发射

从激光的形成过程可知，激光是一束单色性、直线性和相干性都极强的光，具有高强的亮度和能量。

发生激光的装置有气体激光器和固体激光器两大类。世界上第一台气体激光器是1960年前后所制出的氖（混有氦）激光器。在一支细玻璃管里充有氖和氦气，当有电子流通过时，高能量的电子e^－＊与氦原子相碰撞，产生出激发态的He^＊原子：

He＋e^＊→＋He^＊＋e^－

新产生出来的He^＊与氖原子相碰撞，又将所获能量传递给了氖原子，使其激发到亚稳态Ne^＊

He^＊＋Ne→He＋Ne^＊

原子的核外价电子排布为2s²2p⁵5s¹，即Ne基态下的1个2p电子跃迁至5s亚层，Ne^＊的寿命较“长”，约为10^－7秒。当Ne^＊在适当能量的入射光子的影响下，会跃迁至价电子排布为2s²2P⁵3s¹的终能态，同时辐射出波长为633纳米的激光。由于终能态稳定性更差，寿命仅为10^－8秒，又即刻变为基态Ne（2s²2p⁶）。类似的气体激光器还有氩离子激光器、二氧化碳激光器，后者辐射激光的波长为10000纳米。固体激光器问世的时间与气体激光器差不多，现在使用较多的有红宝石激光器、钕激光器等，后者中的钕〔Nd（Ⅲ）〕存在于钇铝石榴石（Y₃Al₅O₁₂）或硅酸盐玻璃中。

从激光诞生至今充其量也就不过40年左右，但它为人类提供的服务却已涉及到人类生活的方方面面。

“民以食为天”。农学家们受到“万物生长靠太阳”的启示，试验在播种前用激光照射水稻稻种，结果发现经照射后的稻种在发芽率、秧苗长势、稻穗的大小和重量及最后水稻亩产都有明显的提高，对于小麦、大豆等作物及多种蔬菜，激光也都有类似的效果；把激光技术用于果树栽培，结出的果子数多、肉厚、味甜；在畜牧业方面，通过对牲畜的精液作适度激光照射，可提高精子的活动能力、牲畜人工受精的成功率，而且育出的牲畜长得快、抗病力强、出肉率高；养鱼工作者用激光照射鱼卵，也取得了可喜的结果。

人们不仅需要物质食粮，还需要丰富多彩的精神食粮，激光的应用在这个领域更是效果明显：激光唱盘（CD）、激光视盘（VCD）、激光彩色音乐、激光音乐喷泉、激光全息照相等，确实大大丰富了人们的文化艺术生活。自1887年美国大发明家爱迪生（1847—1931）发明了会唱歌的机器——留声机后，唱机和唱片的技术一直在不断的改进。激光技术在这一领域的应用，更可以说是留声机的一场“革命”，CD唱片因采用激光来录音和放音，激光有很好的直线性和空间相干性，用光学方法可将其聚焦至直径小于10－6米的光点，因此激光唱盘的音槽可以制作得很小，存储音乐的“信息量”是以前的唱片根本无法比拟的，一张直径仅12厘米的CD盘，竟能播放长达1个小时的节目，且音质也明显优于过去；激光唱盘的另一优点是因采用激光作为“唱针”，唱针和唱片并无机械摩擦，因此CD盘被誉为永久性的唱片，而VCD、DVD盘的出现，又使家庭影院成为当今一种时尚。

一般地讲，人人都会有“生、老、病、死”。随着生活水平的提高和医疗技术的进步，人的平均寿命已大为延长，不少过去流行的传染病现已“销声匿迹”，不少过去的疑难病症已被“攻克”。但是时至今日，仍有一些疑难症、常见病在每时每刻地折磨着成千上万的患者，过早地夺走了一些人的生命。因此，防治疾病仍是当前人类亟待解决的重大课题之一。在激光器问世后的第三年，医生就开始将激光技术用于医疗，经过30多年的潜心研究和临床实践，激光技术已用于医学的多个医科：如用激光照射癌组织及用“激光刀”切除癌肿瘤，都有着大量成功的病例；心血管病是一种死亡率很高的常见病，利用激光技术治疗动脉粥状硬化、开通被血栓阻塞的血管、对心肌织组做部分切除术等，都已取得了一些令人鼓舞的效果；而激光给人治病，首先是从眼科开始的，如矫正视力、白内障、青光眼的激光手术等，都效果颇佳，甚至可实行门诊手术。

以上三方面的介绍，仅仅是激光技术应用的一小部分，而激光的实用是多个领域的：信息高速传输、精密加工和精密计量、地震预报、环境监测、激光制导和激光致死武器等举不胜举。还应指出，激光技术更广泛、更深层次的应用。还有待人们进一步去开发，当前的情况仅仅是激光使用的初级阶段。但仅就现今激光技术的使用效果看，把激光称作“创造奇迹的光”，你说过分吗？