五、略显技能

激光的“有组织”，突出地表现在每个原子发出的光的频率十分一致，也就是波长一致。光的波长不同，对人眼的刺激也不同，人就看到了各种不同的颜色。所以波长一致的光，它们的颜色也就一样。激光另一个“有组织” 的表现，是每个原子发的光，步调绝对一致，方向高度集中。科学家掌握激光的特性以后，让激光登上显示现代科学技术的大舞台，让它干了三件不可思议的奇事。这几件事看起来已经够伟大了，其实还只是它略显小技而已。

第一件奇事是刺破青天，去叩响月球“广寒宫”的大门。1969 年，美国宇航员乘坐宇宙飞船首次登上月球。其实激光早在 1962 年就已经捷足先

“登”上月球。那次，科学家使用的是红宝石激光束。激光从地球到月球上，再从月球返回地球，越过万里长空，来去只花了 2.6 秒。科学家拍摄了这一珍贵的镜头，摄下了激光在月球上的足迹——一个明亮的红点。就是图上方框中间一点。

手电筒发出的光只能照亮眼前一小块地方；探照灯亮多啦，但在黑茫茫的夜空里，最远也不过照射 20 公里左右。为什么激光可以射到距离地球 38 万多公里的月球上还能反射回来呢？

这是因为激光的方向集中，能量集中，再加上探月用的激光器能在不到千分之一秒的时间内把光能量释放出去，所以强度极高。

探照灯的光柱看来像是一束平行光。其实它是圆锥形的，只是锥角不到10 度，肉眼觉察不出罢了。地球离月球距离约 38 万多公里。探照灯光即使是很细、很尖的圆锥，经过这样长的距离，圆锥的底面便扩展成一个直径约4 万公里的圆。探照灯光的光强度虽然不算小，但分散到那么大的范围内，每单位面积得到的光能就微弱得几乎等于零了。所以用探照灯的光照月球，光在途中就基本消失殆尽，自然是有去无回了。即使是微波雷达，发射单一波长的微波，波束比探照灯光集中得多，它射到月球表面上，也要散在 100 公里左右的区域内。上面月球图中的方框就是微波束在月球表面的大致尺寸。

激光的光束方向集中，所以有人称它为平行光。实际上，世界上是不存在在几何意义上的平行光的。激光束看起来上下两边几乎平行；仔细量一量，并非如此：上下边仍有大约 0.1 度的夹角。所以严格地说，激光束不是细长的圆柱，而是细长的圆锥。通过光学望远镜的帮助，这一锥角可以小到万分之五度左右。在地面上不大的范围内，几乎觉察不到光锥的底面随着距离拉大而扩展；但光锥通过地球到月球这样摇远的路程，射到月球上时，光锥底面还是明显扩展了；大约形成直径 3—4 公里的一个圆，从地球上看去，只有一小点。由于激光的光强度比探照灯光强亿万倍，因此从月球表面上反射回来的光仍然非常强，这就是地球上能收到“回光”的道理。后来，人们在月球上安装了反射器，回光就更强了。

第二件奇事是让激光束钻到人的眼睛里治眼病。眼睛很像照相机，瞳孔和瞳孔后的晶状体是一个光线可以进入的“窗口”。细得像一条线的激光束，正好从这里射入眼内。晶状体像透镜一样，它把激光聚集在眼底上。焦点非常小，只有几十微光，和头发丝直径差不多；因此能量高度集中，温度可达1000 多度，用它来做精确度很高的眼科手术非常理想。比如，把眼底视网膜上的裂孔封闭起来。这类手术通常需要把眼球从眼眶中摘出来做，病人很痛苦；现在用激光去“焊接”，对准患处之后，医生一按开关，只要千分之一秒就可以把裂孔封闭好。速度之快使病人还不知道手术已经结束。

第三件奇事是离开激光器一两米远的地方放一块 3 毫米厚的钢板，激光束一下子就能在钢板上打出一个小洞来。看到如此惊人的表演，人们一定会问：激光究竟有多大的能量呢？它打洞时释放的总能量还不及一只 15 瓦的电

灯泡 1 秒钟内发出的能量呢。然而，为什么用 15 瓦电灯泡发的光就没有这种能耐呢？这要从激光释放能量的时间十分短促说起，上面讲的打洞激光的能量大约只有 4 焦耳左右。少年读者也许不大熟悉“焦耳”，只知道“瓦”，因为家里的电灯泡、日光灯管都讲瓦数。“瓦”是表示功率的单位，它跟表示能量的单位“焦耳”不是一回事，它们之间的关系可以通过下面这个算式

联系起来：

功率（瓦）×时间（秒）=能量（焦耳）根据这个算式，我们知道一只功率为 40 瓦的电灯泡，点 1 秒钟，它消耗的能量等于 40 焦耳。换句话说，就

是 40 焦耳的能量，在一秒钟里释放出来的功率为 40 瓦。写成算式：

功率（瓦） = 能量（焦耳）

时间（秒）

从算式我们可以看到：如果某一个能量值保持不变，释放这些能量的时间越短，则由此发出的瞬时功率就越大。因此，打洞激光的能量虽然只有 4

焦耳，如果它是在 100 亿分之 1 秒内释放出来的话，那么在一瞬间，它的功

率是 400 亿瓦，相当于美国 70 年代初发电功率的五分之一左右。由此可见激光的力量有多么强了。

农历月半时的月亮，看起来明亮如镜，但测量一下它的亮度，只及蜡烛光的一半；太阳亮得多，大约比月亮亮 60 万倍。可是和激光一比就差得远了。

太阳表面每平方厘米和各个方向发射的功率总计约 7000 瓦，其中包括各种波长的辐射。像激光束截面那么大小的太阳表面，以激光束锥角发射的光功率仅 0.05 瓦。如果把它跟红宝石激光器发的红光相比，那么太阳在红光这一波

长上仅发射 0.000001 瓦的功率。而红宝石激光器以脉冲的形式发射的光强度

可达 1 亿瓦，真要比太阳亮亿万倍。

我们还没有谈激光的波长一致具有的特殊意义呢；这是科学家继发明红宝石激光器以后，在研究一种新的气体激光器氦氖激光器时，才发现的一个非常重要的特点，利用这一特点，科学家做出了测量长度的标准“尺”—— 光尺。

长度的标准是怎么定出来呢？

18 世纪末，科学家认为，地球的大小是不变的。1790 年，法国科学界测量了地球的子午线，提出把从赤道经过巴黎到北极的子午线的四千万分之一作为长度标准，直到 1889 年，在第一届国际计量大会上，才正式规定了国际米基准——米原器。那是用高稳定的金属制造的标准尺，存放在巴黎的度量衡局里。

后来，物理学家研究光的本质时，发现光的波长极为稳定，用光的波光作为长度标准，有着无可比拟的优越性，因此，1960 年 10 月，在第十一届国际度量会议上，规定 1 为的基准长度等于 36 氪在真空中所发射的橙色光波

长的 1650763.73 倍。当时认为这种光的波长最稳定。

太阳光为什么就不能用来当长度标准呢？因为它发的光不是单一的，包含的光波长从 0.4 微米到 0.77 微米都有，还有肉眼看不到的紫外光和红外光。

作为“标准尺”的光，光波长必须绝对一致，颜色的纯度越高越好。86 氪灯是一种光谱灯，装在仪器中，专门校正光谱仪用。86 氪灯克点像霓虹灯，也是靠放电发光的。它的体积比霓虹灯小得多，长度比家庭里用的 3 瓦经济

灯还要短，灯管里面充的是氪的一种同位素 86 氪气体，它发的橙色光是激光问世以前最纯、最稳定的单色光。一般光波在真空中和在玻璃、水、空气一类的介质中传播时，波长有所不同。由于作为长度标准要很准确，所以加上“在真空中”这一条件。

然而 86 氪发的光，强度太弱。这个缺点使科学家感到很不满意，一直想

找一种能够取代 86 灯亮得多，而且波长纯度也比 86 氪高 10 万倍以上，激光

确实是一种十分理想的长度标准。1982 年，世界各国科学家共同确定激光作为新的国际长度基准。现在用“光尺”已经做到测 1 米长度，误差只有一亿分之一米。

激光怎么会具有这些特性呢？因为组成激光的每一成员——科学家把这些成员称为“光子”，是这一定的相互关系组织起来的。原来，在原子世界内也要“团结一致”才有力量！然而，这种“组织”并不能随心所欲。科学家不可能让一个灯泡发出激光，而必须用激光器，并按照科学规律把光子“组织”起来。激光器也可以说是光子“组织者”。