八、激光技术

激光的产生及其特点

激光的本意是通过受激发射而实现光波放大。

受激发射的理论是爱因斯坦在1917年提出的。该理论认为：假设微观粒子（原子、分子或离子）有两个分立能级，高能级能量为E2，低能级能量为E1，能量上相应的粒子密度数为N2和N1。存在着三种不同类型的能级跳迁：（1）高能级上的粒子自发跳迁到低能级，同时放出E2-E1=hυ的光子，这是自发发射。（2）如果处于E1上的粒子与频率为υ=（E2-E1）／h的电磁波相互作用，粒子可吸收入射电磁波而跳迁到高能级E2上，这是受激吸收。（3）如果处于高能级E2上的粒子与频率为υ的电磁波相互作用，粒子将从高能级E2跳迁到低能级E1上，同时发射一个频率为υ的光子，这是受激发射。受激发射的光子与入射电磁波具有相同的频率、位相、偏振和传播方向，它们是相干的。爱因斯坦进一步指出，在电磁场作用下，粒子系统中的受激吸收和受激发射过程同时存在，并且在两个能级之间的跳迁几率是相等的。但依据玻尔兹曼分布规律，在热平衡条件下，处于低能级上的早期的激光射线管粒子数N1总是大于处于高能级上的粒子数N2，所以受激吸收总是大于受激发射，通常只能观察到受激吸收而观察不到受激发射。显然，根据爱因斯坦的理论可以设想，在有外界电磁场作用下，如果用某种激励方式使一个粒子系统中处于高能级E2上的粒子数N2大于处于低能级E1上的粒子数N1，即实现粒子数反转，便可以使受激发射占优势。这样就会出现与系统在正常的受激吸收占优势情况下靠自发发射发出普通光完全不同的情况。这时，如果有一个光子引发，高能级E2上的原子（或分子和离子）便会受激发射出一个与之相同的光子。如果加上一个谐振腔，就会靠反馈作用形成光振荡，这两个光子又会引发其他高能级E2上的原子受激发射，形成雪崩式的受激发射，从而产生大量频率和运动方向相同的光子，实现光放大，从而发射出激光来。

激光也是光，它与普通光没有本质上的区别。但激光又是一种特殊的光，与普通光相比具有方向性好、单色性强、高亮度和优异的相干性等四大特点。激光的各种应用也正是基于上述特点，在这些方面，目前还找不到第二种光源可与激光媲美。

第一台激光器的诞生

世界上第一台激光器是1960年由美国休斯研究实验室的T·梅曼研制的。

梅曼在制作过程中遇到的第一个问题便是用什么材料的问题。

当时有论文指出，不能指望用刚玉中掺入铬离子的红宝石晶体作激光器的工作物质。理由是，按它的能级结构和特性，需要的泵辅强度太高，技术上不容易达到。也有人说，红宝石的发光量子效率很低，不易制作激光。种种说法，使本来想采用红宝石作工作物质的梅曼犹豫了。

梅曼又考虑采用碱金属蒸气作工作物质，但分析对比后发现用这种材料将会遇到更大的困难。他再一次投入到对红宝石晶体的研究中。艰苦的研究探索之后，他决定用红宝石晶体试一试。

梅曼成功了。世界上第一台激光器产生了。

这台激光器所用的泵辅源——脉冲氙灯是螺旋形，红宝石石棒直径1厘米，长2厘米，它刚好可以套入螺旋氙灯。在红宝石两端镀银膜，构成谐振腔。输出的光波长是694.3纳米（红色）。国外科学家把这台特殊的光源称作是Laser。

那么，我国是怎样把Laser称作激光的呢？

1961年，我国第一台激光器问世，但直到1964年还没有一个统一的称呼，有称“受激辐射放大器”的，有称“光激射器”的，还有称“光量子放大器”及“莱塞”等等。

1964年12月，在上海市召开了全国第三次受激光辐射讨论会。会议前夕，《光受激发射情报》编辑部给著名科学家钱学森教授写了一封信，请他给“Laser”取一个统一的名称。不久，钱教授给编辑部回了信，建议命名为“激光”。这个建议在会上得到与会者一致赞同。从此以后，我国学术界开始统一使用“激光”这个名词。

农业的催化剂

人类生活需要的吃、穿都与农业息息相关。因此，8亿农民天天在想办法提高农业生产水平。终于，他们想到了激光。

用激光照射种子，能够引起作物的性状发生变异，增加收成。现在，我国采用激光技术已培育出3个水稻新品种和3个小麦新品种，增产粮食10多亿公斤。

用激光技术也培育出了大豆、油菜、豆角、蕃茄、棉花、家蚕等20多个新品种。育出的大豆新品种，产量比现在的良种还高25％，而且它们的脂肪含量也提高2.5％～2.7％，蛋白质含量提高4.8％。

我们穿的丝绸是由家蚕吐出的丝制成的。用激光诱发家蚕变异，育出了性能优良的家蚕。初步结果是，茧层量提高16％，成茧率提高15.7％，茧丝长度平均加长80米。

水果是大众所喜爱吃的食品。激光技术帮助我们培育出了品质优良的水果。

沙田柚是盛誉海内外的名果，果肉柔嫩，味甜有蜜味，但它的缺点是果内的籽太多，一个果平均有籽140～150粒。现在用激光改造了柚子树性能，结的柚子里面含的籽很少，而且有4％的果内一粒籽也没有。并且果子的肉更甜，味更好，产量也大大提高。

还有一种叫“沙子早生”的桃子树，它结的桃子肉厚、嫩、甜，是制作桃子水果罐头的好原料。我国引进种子好几年，但坐果率很低。专家们说，这是因为它患有“不孕症”。现在采用激光照射处理的办法，终于治好了它的“不孕症”，坐果率达85％以上，产量比原先提高4倍以上。

现在，科学家还在试验利用激光改造其他果树，比如柑、桔、橙等的品质，要育出无核的，以及适合外国人口味的果子，比如带点酸味的桔子、橙子和沙田柚子。

另外，激光在畜牧业、生物工程中大显身手。如用氦氖激光照射鸭子的精子，精子的存活时间由3小时延长到60小时；用激光照射山羊精子，有效保存时间也能够延长1倍以上，而且活力也获得加强。

激光与防伪

以前，在电影或电视剧中，我们经常看到外国人从怀里掏出一张硬质卡片插入自动兑款机内，当按下所需款额数目时就能从下方的一张“口”中，拿出一叠现金。现在我们对信用卡也不再陌生。信用卡具有与现金等同的效能，并且便于携带，结算方便，在很多国家被广泛使用。目前我国的大都市也开始普及。因此，信用卡成了造伪者猎取的重要目标。这可能使银行蒙受巨大的经济损失。为了对付这种情况，银行系统最先将全息图像印在信用卡上作为防伪手段。在这种情况下，除非破坏全息图，否则是无法更改印在全息图上的用户账号的；从而使做假者望图兴叹。

由于全息图具有防伪性能，一些国家还把它用于钞票和重要证件上。澳大利亚储蓄银行在1989年发行了一种带全息图的钞票；前西德、也门、叙利亚等国则把全息图印在护照和签证上，使海关人员一眼便能辨明真伪。

目前，利用全息图进行防伪的最广泛的领域还是商界。名牌在商界被誉为“金字招牌”，它往往会带来滚滚财源。而创一个名牌则需要几年乃至于几代人不懈的努力。因此，伪造名牌产品、盗窃商标等不法行为在世界各国都很猖獗。人们先后试验过数百种方案，终因商品不同、成本限制、技术障碍等原因而一筹莫展。最终，英国彩虹模压全息图的出现才解此难题。现在，模压全息已作为一种行之有效的防伪手段而成为各种名牌商品的保护神，如瑞士生产园艺专用设备的RP公司、美国生产香皂和洗涤剂的Procter＆Gamble公司、巴尔摩生产化妆品的Noxell公司、纽约生产美容定发型香波的Reylom公司，还有日本的松下录像带、西铁城手表，中国的章光牌101毛发再生精等都采用了全息防伪标记，甚至清华大学出版社出版的最新电子计算机方面的书籍上也贴有亮晶晶的全息防伪标记图。

全息防伪标记图在开始应用时，像不干胶商标或胶带纸似的贴在商品或包装上面，很容易被人揭掉而另作他用。为此，美国、德国便发展了一种一次性使用的全息粘贴技术。一旦把它贴上，就再也不能完好地揭下，因为在揭下时，全息图像也被破坏并且不能复原，这进一步促进了模压全息在防伪方面的应用。

激光与条形码

如今，超级市场的货架上，贴着条形码的商品琳琅满目，那种老式的商品价格标签几乎在一夜之间便无影无踪了，取而代之的是由黑白纹条所组成的条形码。出售商品时，超市上的售货员只消举手之劳，让商品上的条形码在扫描器上通过一下，商品的品名、价格等各种信息便已输入计算机中，让人看得目瞪口呆。

实际上，这种超市已经采用了所谓POS（Pointofsale）系统，即商业销售实时管理计算机系统。这一系统由激光或红外线识读条形码的扫描器、联结扫描器的收银机（POS终端）、POS控制器（计算机）等构成。在应用了POS的商场中，商品在销售前应带上条形码。

条形码是由许多条纹组成的符号。这些表面上看起来大体雷同的条纹中，蕴含着各种有关商品的信息。比如在十三位和八位的条形码中就包含着商品生产的国别、厂家、分类项目及校验检查时有无错误等信息。那么，扫描器又是如何读出这些信息的呢？

扫描器虽然多种多样，但其基本原理都一样，即把条形码反射回来的光信号变成电信号而读出其中的信息。最有代表性的激光定式扫描器的工作过程如下：

（1）当商品在读出窗口上出现时，物体传感器发出信号，开始发射激光。

（2）由于条形码的黑白码条的反差，强度不同的光被反射回来。

（3）光电转换器接受反射光，变成电信号。

（4）由此信号来判断码条的宽窄和两个码条之间的间隔，并由它们的组合方式导出相对应的数字。

（5）如果以10为模算出来的数字与校验码数字的数值一样，则停止激光扫描，以防止同一商品连续读入两次。

激光照排

信息时代的到来，使人们面临着信息量爆炸的挑战。通过文字印刷的书籍、杂志和报纸等是信息传递的一个重要渠道。但影响书籍资料出版周期过长的一个关键问题就是排字速度太慢。为此，科学家们研制出一种激光照相排字机，简称为激光照排机。它与复印机、激光打印机一起构成现代化的光电子印刷技术，从而彻底取代了铅字手工排版。

激光照排机都装有微型计算机。操作员就像使用打早期的照排机字机一样，通过电子计算机编辑排版系统把书稿输入到计算机系统内。书稿内容经过计算机转换成点阵信息，用这种点阵信息去控制声光调制器，使衍射光通过扩束器，再经过多面体反射镜的反射，由物镜在感光底片上聚焦成具有一定尺寸的光点。每当多面体反射镜转过一面时，在感光底片上就扫描曝光出一行点阵信息。随着感光底片连续不断地运动和多面体反射镜连续不断地转动，在感光底片上所曝光出来的一行接一行的点阵信息就形成了文字的照排版。这种照排版俗称胶片，然后用胶片就可以制版印刷了。

激光照排机备有玻璃字模库。使用照排机上不同焦距的主透镜，能将玻璃字模板上的字块放大或缩小，拍摄成20余种大小不同的字，并使之成像于感光版。同时，手动照排还可使用变形透镜，将拍摄的字像变成长体、扁体或斜体，能使一个字有480种变化，比起传统的火化铅铸字来，字型与字体都丰富得多。目前，除个别单位外，中央和省级报纸均已采用激光照排方法，许多大印刷厂和出版社也纷纷采用激光照排机，从而完成了我国印刷史上的又一次革命。

CD唱机与镭射电影

在科技领域，有许多技术如热核技术、航天技术乃至于电子技术等，每当发布一项重大成果时，都会以排山倒海般的气势迎面扑来，引起人们的震惊和欢呼。但激光技术有些例外，它趁着人们还沉醉于上述技术的辉煌中时，如暗潮涌动，安详地浸没了您的脚面，当人们突然清醒之后就会蓦然发现，“镭射”电影的广告已贴到了家门口，“CD”，唱机的乐曲回荡在大街小巷。

“CD”为英文CompactDisc—DigitalAudio的缩写，意为小型数码音频唱片。“CD”唱机是激光唱机的简称，是当代激光应用技术最为成功的杰作之一。与传统唱机相比，CD唱机具有许多无法比拟的优越性：能提供优良的高保真度、高纯度音质；立体声左右声道分离度达85分贝，频率响应在5～20000周（赫兹）之间；谐波失真为0.004％，不存在抖晃率问题；唱片寿命极长，几乎永不磨损；动态范围超过90分贝，已接近大型交响乐队的动态范围；可以使记录在唱片上最细微柔弱的声音忠实、清晰地再现出来。

CD唱机之所以具有上述的优越性，在于它的工作原理与普通唱机的工作原理截然不同。普通唱机的唱片表面刻有一条连续不断的音轨“纹槽”，记录着各种模拟音响信号；当拾音器唱针直接接触音轨纹槽时，随着纹槽的摆动幅度和深度的不断变化，拾音器即从音轨上拾取唱片上的模拟信号。与此完全不同的是，CD唱机灌录在唱片上的信号是数字信号，是一连续不断的“坑点”轨迹即“0”和“1”数字符号。这些坑点的深度一般为0.1微米，轨迹之间距离为1.6微米，每毫米有625条。一张CD唱片的轨迹数高达2万条，全长5公里。CD唱片上的“小坑”是下凹的，光拾音器上的扫描激光束是来自唱片下部，因此，“坑点”对激光束来讲却是凸出的。当激光拾音器发出的激光束扫描聚焦于唱片镀铝的“坑点”上时，便被漫反射，这时的信号为“0”；当激光束照射在无“坑点”处时，光线被反射回光路并且被检拾出，这时的信号为“1”。随着唱片的转动，长短“坑点”不断扫过激光束，反射光的密度及强弱相应地变化，形成连续的信号流，经光电转换、电流电压转换、放大、整形后，即获得了唱片上所记录的数字声音信号。

“镭射”就是激光英文Laser一词的音译。镭射电影也就是激光电影。我们知道，普通电影是由胶片来存贮图像的，通过放映机在宽大的银幕上再现图像。激光电影的图像则存贮在一张小小的光盘上，就像CD唱机的唱片一样，只是直径大了一些，放映时用类似CD唱机的激光影像机（俗称“影碟机”）进行图像的再现。影碟机的工作原理与CD唱机无本质区别，只不过CD唱机放出来的只有声音没有图像，而影碟机则是音像俱佳罢了。

全息照片

提起照相，人们再熟悉不过了，从呱呱坠地的婴儿到倚杖挽须的老人，人们都希望能在生命之旅中留下美好的记录。以往当您走进照相馆时，服务员就会问您是来黑白照还是彩照，不久的将来，服务员就会问您：“是否来张全息照？”

全息照是激光优异的相干特性得以利用的最成功的一例。在传统的照相底板上，我们大致可以看出被拍摄物体的影像。但由于它记录的仅是物体表面上光线反射强度的分布，不能记录物体的纵深情况，因而失掉了立体感。但从激光全息底板上，却丝毫见不到被摄事物的影像，上面只有像指纹一样密密麻麻的条纹，正是这些条纹，不仅记录着物波（被物体反射到底片上的光波）的振幅，而且记录着物波的位相，从而反映出物体的纵深情况。也就是说，激光全息照能够记录有关物体的全部相貌信息，因而叫全息照。

全息照相的记录过程与传统照相不同。“照相机”可以不使用镜头，而是让感光板直接对着激光照明的物体，接受其反射光波进行曝光。这时，一束激光由分光镜一分为二，一部分用来照射所要拍摄的物体，并被物体漫反射成物波，另一部分经反射镜反射后直接射向底板，形成参考波。物波与参考波在全息底板上相干涉，形成密密麻麻的相干条纹。一般来说，两束光位相相同时，振动加强；位相相反时，振动减弱。两束光的位相会因物体的位置不同而变化，所以光振动增加或减弱随位置不同而异，这样就在两束光交叠处，产生了亮暗条纹。条纹的亮暗对比，反映了光强度的大小（因为光强与光波振幅平方成正比）；而条纹的分布情况和形状，反映了光波位相的变化。可见用干涉现象所产生的条纹，能很好地把振幅和位相变化情况全部记录下来。因为激光照相能有效区分不同振幅和位相的情况，所以只要从不同的角度拍摄，就会使反射光的振幅与位相也随之变化，这样就可以在同一底板上记录下不同位相和振幅的情况，甚至重叠拍摄不同物像也不会互相影响。

由全息照相的记录过程可以看出，全息照相的本质就是光的干涉记录，记录时对光源的相干性有极高的要求。因此，具有优异的相干特性的激光也就责无旁贷地担此重任了。激光全息照片不仅形象逼真，立体感极强，特别奇妙之处还在于观看全息照片时，观看者改变观察角度，便会看到照片中不同位置的景物。更奇妙的是，一张全息照片即使大部分已经损坏，只剩下一个角落，依然可以重现全部景物。

激光医学

随着激光技术的发展，一门崭新的应用学科——激光医学应运而生。激光医学包括用激光新技术去研究、诊断、预防和医治疾病，它解决了传统医学所不能解决的许多难题。

激光之所以能够在医疗中发挥作用，其原理基于激光本身的特性。激光的单色性好，方向性好，通过透镜可聚焦成极小的光斑。在可见光的范围内，治疗区域的直径可以小至微米量级，故能够精确选择破坏病变部位而很少影响周围正常组织。激光的高亮度特性则使聚焦的光斑具有很高的能量密度或功率密度，可在瞬息间发生作用。目前常用的连续波CO2激光器能切开皮肤、脂肪层、肌肉、筋膜和软骨等组织，一根肋骨数秒钟即可切断，所以它利用激光进行外科手术能缩短手术时间。在激光光斑处，巨大的能量密度和很高的温度还同时能封闭凝结切口边缘的微细血管，使手术过程中不出血或很少出血。因激光手术刀不接触手术部位，所以不易引起感染，使得病人手术后能很快恢复。

目前，激光在医学临床上的应用大体包括以下六种：

（1）切割分离。将激光手术器导光系统的聚焦镜头当作外科医生手中的手术刀，沿着需要切割的位置移动，光束就会切开组织。在切除肿瘤的过程中，激光束分离组织比较迅速且界限清楚。

（2）气化融解。调整CO2激光器的输出功率，光斑照射区达到200℃以上高温且有一定压强时，能使局部组织气化融解。对于良性、小肿瘤效果尤好。

（3）烧灼止血。被激光照射的部位在几毫秒时间内引起局部高温，使组织脱水凝固和细胞破坏，特别是聚焦后的激光是很好的烧灼工具。激光烧灼治疗痔疮不出血，痛苦小。对反复顽固性鼻出血患者，用激光烧灼止血十分有效。

（4）凝固封闭。激光光斑小，激光凝固可引起结疤，使血管和淋巴管阻塞和封闭，还可引起组织萎缩，适用于切割和封闭淋巴管瘤和背部血管瘤。激光凝固使丰富的淋巴管和毛细血管封闭萎缩，管腔被粘着结疤，不易复发。例如，视网膜焊接就是利用了凝固封闭操作方法。

（5）离焦照射。与聚焦成小光斑治疗相反，将激光束扩展成大光斑照射到患者部位，可以止痒、镇痛、消肿和促进创面愈合。

（6）穴位照射。激光照射穴位不但能给予刺激，还能给穴位输入能量，故兼有针和灸两种作用，并且具有无痛无菌和快速安全等优点。

激光与计量

在科研活动过程中，始终离不开计量工作。计量的手段、精度如何，将直接影响着试验的结果。所以各国科学家都在不遗余力地发展超精细计量技术。近30年来，由于激光技术的引进，计量技术取得了突飞猛进的发展。

长度和时间是最基本的物理量。如何确定它们的基本单位是计量学的重要任务，国际计量大会的任务之一就是统一世界各国的计量标准。激光器的问世，给新的计量标准带来了活力。原子气体激光器是以原子能级之间的受激发射为基础的，因此，从原理上讲，能够提供长度和时间的计量标准。激光器的输出波长λ可以设法稳定在原子跃迁的中心波长λ0附近。在真空中，光速的定义值C=299792458米／秒，长度l（或波长）的定义可以由时间t（或频率）通过公式l=ct（或λ=c／υ）导出。用光波频率确定的波长不受光学元件的影响，使波长测量精度大大提高。近年来，世界各先进国家都在努力建立光频标和发展激光原子钟，我国在这方面也有不少投入。1983年10月第17届国际计量大会通过决议：（1）米是光在真空中于1／299792458秒时间内的行程的长度。（2）废除1960年以来使用的建立在氪86原子在2P10和5d5能级之间跃迁的米的定义；并推荐了五种激光辐射作为波长标准。

为了满足导航、大地测量和外交、军事保密通信的要求，需要进一步提高原子钟的频率稳定度。为了提高导航精度和可靠性，需要将导航卫星上的原子钟的长期稳定度提高到小于或等于10-14量级。在外文保密通信中，为了把隐藏于虚假随机噪声中的信号提取出来，需要使发射与接收台之间建立同步关系，也要求原子钟的频率稳定度小于或等于10-14量级。要把原子钟的准确度和稳定度提高到10-15量级的水平上，可能的途径之一就是把激光技术引进原子钟去。目前各国都在开发这项有重大意义而又极为尖端的技术，而且主要工作集中在半导体激光抽运原子钟、离子储存型原子钟和激光冷却原子束原子钟等的研制上。

激光与军事

当初人类将激光用作武器是基于激光的热效应。例如把一束高功率激光用光学系统聚焦到金属的一小块面积上，就足以达到每平方厘米数百万瓦的光功率密度，从而使任何金属熔化，给敌方的人员、武器、装备造成伤亡和损毁。因此，激光又有“死光”之称。同时，激光能以光速（每秒约30万公里）出击，且没有“弹道”，对高速运动目标也无需提前度量，可以瞄哪儿打哪儿；激光武器没有后坐力，因此可以迅速转移打击目标，而且可以进行单发、多发或连续射击；从经济角度讲，激光武器也比常规的导弹武器便宜得多，如发射一枚巡航导弹就要损耗200万美元，而发射一个脉冲的激光只需数千美元。

尽管激光武器有如此之多的优点，迄今还是不能大量用于战场。这是因为采用激光的热效应直接攻击的方案还存在诸如激光器的功率、体积、可靠性以及光束在大气传输过程中所遇到的散射、损耗等尚未解决的问题。目前真正在战场上大显神威的激光技术还只是一些“装有激光瞄准仪的狙击步枪间接”攻击方式的“软兵器”，如激光测距、制导、侦察、识别、通讯、训练和光电对抗以及低功率致盲等装备。无论是常规兵器，还是现代武器装备系统，一旦与激光的上述“软兵器”相结合，武器的精度与威力便可大大提高。历时42天的海湾战争作了一次充分的演示。据五角大楼的一位高级官员透露，那次战争中，多国部队向伊拉克及其占领的科威特投下81980吨普通炸弹，命中率为25％，而投下的6520吨激光制导炸弹，命中率高达90％。摧毁伊拉克“飞毛腿”和“飞鱼”导弹库的“美洲虎”上装备的是250公斤重的普通激光制导炸弹。激光制导武器空袭命中目标的平均误差小于10米，而第二次世界大战时空袭的平均误差上千米，越战时为几百米。由此可见激光技术在现代战争中的巨大作用。

现代武器装备要求高精度的探测、跟踪、制导技术，还要求高能量集束式破坏技术，高速计算机，大容量数据处理技术和通讯技术，大面积且有节制的摧毁技术，以及全面的作战仿真技术等，其目标是使作战过程达到最有效、最有利的状态。激光技术在其中扮演着重要的角色。

从战略上考虑，早在20多年前，人们就设想用高能激光作为战略防御的手段。美国的“星球大战”计划，其实质就是研制一个全面的战略反导弹武器系统，其重要组成部分就是激光战略武器。