漫談激光及其應用
　
　　大家對於激光這個詞並不陌生。激光唱機、激光視盤所提供的聽覺享受，全息照片給與我們的三維視覺效果，以及“死光”武器、星球大戰計劃都是人們津津樂道的話題。但激光到底是什麼東西？它是怎樣產生的？它又有什麼樣的性質?這恐怕就沒有多少人了解了。

光的本性

　　很久以來，人們對光就進行了各種各樣的研究。光到底是什麼東西呢？這個問題困擾了許多有才智之士。古希臘哲學家們認為光是高速運動的粒子流。凡是發光的物體，例如太陽，都能發出這樣的粒子流。當這些微小的粒子流接觸到眼睛上時，就引起了人們對光的感覺。

　　對於光的研究在以後很長的年代裡沒有進展，直到偉大的科學家牛頓，才開創了一個光學研究的新世紀。牛頓在他的工作室里，用三稜鏡把白光分解為從紅到紫的七種色光。這是人類第一次看到光的奧妙。白光並不是單一的，而是幾種不同色光的複合。進一步的研究使牛頓提出著名的光微粒說：光是由極小的高速運動微粒組成的；不同色光有不同的微粒，其中紫光微粒的質量最大，紅光微粒的質量最小。利用這種學說牛頓解釋了光的折射、反射和上面描述的色散現象。

　　微粒說合乎人們的日常直觀心理要求。由於光是直線行進的，人們很容易相信光是粒子流。而且由於牛頓的巨大聲望，微粒說一時獨領風騷。但在牛頓的同時代人中亦有人大力批駁微粒說，荷蘭人惠更斯（1629～1695）於1678年提出波動理論來解釋光的本性。他認為光的微粒理論無論解釋光線可以相互交叉通過而互不影響，但這卻是波的基本性質。利用光的波動理論也很容易解釋光的反射與折射現象。那麼，到底光是波還是粒子呢？

　　到十九世紀初期，發現了光的干涉、繞射和偏振現象，這些行為只適合於光的波動理論解釋。同時，若根據微粒理論，光在水中的傳播速度要大於光在空氣中的傳播速度，而根據波動理論計算的結果則正好相反。在牛頓和惠更斯時期，人們還無法精確測量光速，因此無法用實驗判定兩理論的正誤。但到了十九世紀，科技水平和實驗技巧都大大發展，因此在1862年福科測得了光在水中的傳播速度，證實了其小於光在空氣中的傳播速度。這時光的微粒說基本上是徹底被放棄了。到1863年麥克斯韋發表著名的電磁理論，揭示了光波其實是電磁波的一種，這時波動理論的最後的一個難題--傳播媒質問題也被解決了。按照傳統的機械波理論，光振動是在彈性媒質中的一種機構振動。由於光速極大，人們不得不臆造一種彈性極大但密度極小的媒質“以太”，作為光傳播的媒質而散布在宇宙空間。可是，任何實驗都測不到以太的存在，而假定它的存在卻引起了許多麻煩。從而，“以太”成了波動理論之一大難題，是欲棄之而不能的“雞肋”。但麥克斯韋的理論告訴我們，電磁波的傳播不需要媒質。變化的電場產生變化的磁場，變化的磁場產生變化的電場。這樣，變化電磁場的交替產生就構成了電磁波由近及遠的傳播。因此，如果我們把光視為一種電磁波，則“以太”難題就迎刃而解了，因為根本就不需要它，丟掉這塊“雞肋”一切就解決了。麥克斯韋理論完美地解釋了當時已知的所有光學現象。但從十九世紀末起，卻發現了一系列令人困惑的新的實驗結果。這些結果共同的特點是，他們無法用麥克斯韋理論來解釋。其中最典型的是光電效應實驗。

　　光電效應實驗使傳統的光學理論受到嚴峻考驗。偉大的愛因斯坦於1905年提出光量子說來解釋該實驗。想法是革命性的，即認為光是一束束以光速運動的粒子流，每一個光粒子都攜帶着一份能量。光量子說受到普朗克量子說的很大影響。普朗克在解釋黑體輻射問題時認為光在發射和吸收過程中具有粒子性。愛因斯坦則進一步認為光在傳播過程中也具有粒子性。

　　光一方面具有波動的性質，如干涉、偏振等；另一方面又具有粒子的性質，如光電效應等。這兩方面的綜合說明光不是單純的波，也不是單純的粒子，而是具有波粒二象性的物質。這是認識上的不斷加深而得到的結論。應該注意這也還不是最後的答案。對於光的本性，雖然經過這麼多年的探索，我們所知道的也的確是太少了。光到底是什麼？是在某一時刻表現為粒子，而在另一時刻表現為波？還是完全不同於我們現在所知的某種物質？這些問題也是當今的科學家們在苦苦思索的問題。

激光的理論基礎

　　直到二十世紀初，人們才在實驗的基礎上揭開了原子結構的奧秘。原子結構像是一個小小的太陽系，中間是原子核，電子圍繞原子核不停地旋轉，同時也不停地自轉。原子核集中了原子的絕大部分質量，但卻只占有很小的空間。原子核帶正電，電子帶負電，一般原子核與電子所攜帶的正負電荷數量相等，因此對外呈中性。電子繞核旋轉具有一定的動能，同時負電荷的電子與正電荷的原子核之間存在着一定的位能。所有電子的動能與位能之和就是整個原子的能量，稱為原子的內能。這種原子模型是1911年由英國科學家盧瑟福提出的。緊接着，1913年，丹麥物理學家玻爾提出了原子只能處於由不連續能級表徵的一系列狀態--定態上，這與宏觀世界中的情況大不相同。人造衛星繞地球旋轉時，可以位於任意的軌道上，也就是說可具有任意的連續變化的能量。而電子在繞核運動時，卻只能處於某些特定的軌道上。從而原子的內能不能連續的改變，而是一級一級分開的，這樣的級就稱為原子的能級。不同的原子具有不同的能級結構。一個原子中最低的能級稱為基態，其餘的稱為高能態，或激發態。原子從高能態E2過渡到低能態E1時，會向外發射某個頻率為v的輻射，滿足普朗克公式：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　hv=E2-E1
式中h為普朗克常數。反之，該原子吸收頻率為v的輻射時，就會從低能態E1過渡到高能態E2。

　　愛因斯坦在玻爾工作的基礎上於1916年發表《關於輻射的量子理論》。該文提出了受激光輻射理論。而這正是激光理論的核心基礎。因此愛因斯坦被認為是激光的理論之父。在這篇論文中，愛因斯坦區分了三種過程：受激吸收、自發輻射、受激輻射。

　　前兩個概念是已為人所知的。受激吸收就是處於低能態的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態；自發輻射是指高能態的原子自發地輻射出光子並遷移至低能態。這種輻射的特點是每一個原子的躍遷是自發的、獨立進行的，其過程全無外界的影響，彼此之間也沒有關係。因此它們發出的光子的狀態是各不相同的。這樣的光相乾性差，方向散亂，而受激輻射則相反。它是指處於高能級的原子在光子的“刺激”或者“感應”下，躍遷到低能級，並輻射出一個和入射光子同樣頻率的光子。這好比清晨公雞打鳴，一個公雞叫起來，其他的公雞受到“刺激”也會發出同樣的聲音。受激輻射的最大特點是由受激輻射產生的光子與引起受激輻射的原來的光子具有完全相同的狀態。它們具有相同的頻率，相同的方向，完全無法區分出兩者的差異。這樣，通過一次受激輻射，一個光子變為兩個相同的光子。這意味着光被加強了，或者說光被放大了。這正是產生激光的基本過程。

　　愛因斯坦的理論在當初只是為了解決黑體輻射問題而提出的假設。但是幾十年後卻成了打開激光寶庫的金鑰匙。

　　那麼，激光是怎樣產生的？在一個原子體系中，總有些原子處於高能級，有些處於低能級。而自發輻射產生的光子既可以去刺激高能級的原子使它產生受激輻射，也可能被低能級的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子體系的相互作用中，自發輻射、受激輻射和受激吸收總是同時存在的。如果想獲得越來越強的光，也就是說產生越來越多的光子，就必須要使受激輻射產生的光子多於受激吸收所吸收的光子。怎樣才能做到這一點呢？我們知道，光子對於高低能級的光子是一視同仁的。在光子作用下，高能級原子產生受激輻射的機會和低能級的原子產生受激吸收的機會是相同的。這樣，是否能得到光的放大就取決於高、低能級的原子數量之比。若位於高能級的原子遠遠多於位於低能級的原子，我們就得到被高度放大的光。但是，在通常熱平衡的原子體系中，原子數目按能級的分布服從玻爾茲曼分布率。因此，位於高能級的原子數總是少於低能級的原子數。在這種情況下，為了得到光的放大，必須到非熱平衡的體系中去尋找。

　　所謂非熱平衡體系，是指熱運動並沒有達到平衡、整個體系不存在一個恆定溫度的原子體系。這種體系的原子數目按能級的分布不服從玻爾茲曼分布率，位於高能級上的原子數目有可能大於位於低能級上的原子數目。這種狀態稱為“粒子數反轉”。如何才能達到粒子數反轉狀態呢？這需要利用激活媒質。所謂激活媒質(也稱為放大媒質或放大介質），就是可以使某兩個能級間呈現粒子數反轉的物質。它可以是氣體，也可以是固體或液體。用二能級的系統來做激活媒質實現粒子數反轉是不可能的。要想獲得粒子數反轉，必須使用多能級系統。

　　在現代的激光器中，第一台激光器紅寶石激光器是三能級系統，也有一些激光器採用了四能級系統，如釹玻璃激光器。

激光的巨大應用

　　1960年7月，西奧多·梅曼在加利福尼亞的休斯空軍試驗室第一次製得了人造激光。這束僅持續了3億分之一秒的紅色激光標誌着人類文明史上一個新時刻的來臨。梅曼的激光器使用的激活媒質是一個4厘米長的圓柱形紅寶石棒。在紅寶石棒上纏有閃光玻璃管以便讓晶體受光線照耀。這種紅寶石的主要成份是混有鉻離子的氧化鋁。當鉻離子被強烈的普通光激發時，就產生了離子數反轉。這樣在諧振腔的作用下就獲得了第一束人造激光。

　　激光器的發現過程並不是一帆風順的。雖然湯斯和費羅早在1957年就提出了激光器的基本理論，但是在實際建造中還有許多困難，對激光的性質和作用都還沒有清楚的認識。在梅曼開始建造他的紅寶石激光器之前，有人斷言紅寶石絕不是製造激光的好材料，而費羅也支持這種觀點。這使得很多人中止了用紅寶石來製造激光的嘗試，但梅曼卻懷疑這個說法。為此，他花了一年的時間專門測量和研究紅寶石的性質，終於發現上述論斷所依據的基礎是錯誤的，而紅寶石確是製造激光器的好材料。從此他着手建造那個世界上第一台激光器。他的準備工作十分地詳細完備，在第一次試驗時，當按鈕按下時，第一束人造激光就產生了。在梅曼成功之後不久，氦氖激光器也試驗成功。這一系列的成功使實力雄厚的貝爾實驗室也投入到激光器的研究之中，而其資金和人力資源又迅速推動着研究工作的進展。

　　自從1960年以來，激光家族有着迅猛的增長。現在有各種不同形狀不同大小的各種各樣的激光器，可以產生出不同功率、不同波長的激光。這些激光的範圍包含從紅外到紫外以至X射線的所有區域。可以有兩種方法對激光器進行分類。一種是從激活媒質的物質狀態面分類。這樣可分為氣體、液體、固體和半導體激光器。各類激光器各有特色。氣體激光器的單色性強，如氦-氖激光器的單色性比普通光源要高1億倍，而且氣體激光器工作物質種類繁多，因此可產生許多不同頻率的激光。但是，由於氣體密度低，激光輸出功率相應較小；固體激光器則正好相反，能量高，輸出功率大，但工作物質種類較少，而且單色性差；液體激光器的最大特點是激光的波長可以在一定範圍內連續變換。這種激光器特別適合於對激光波長有着嚴格要求的場合；半導體激光器的特點則是體積小，重量輕，結構簡單，但輸出的功率較小，單色性也較差。

　　另一種分類方式是按激活媒質的粒子結構來分類，可以分為原子、離子、分子和自由電子激光器。氦--氖激光器產生的激光是由氖原子發射的，紅寶石激光器產生的激光則是由鉻離子發射的。另外還有二氧化碳分子激光器，它的頻率可以連續變化。而且可以覆蓋很寬的頻率範圍。

　　各種激光器中激活媒質的方法也不盡相同。一般來說可分為三種方法：使用高強度的光，從帶電源來的電子，以及較少用的第三種方法--核輻射。激光剛剛誕生不久就被人們稱為“解決問題的工具”。科學家們一開始就意識到激光這種奇特的東西，將會像電力一樣註定要成為這個時代最重要的技術因素。迄今為止，僅僅二十多年的初步應用，激光已經對我們的生活方式產生了重大影響。激光通信使我們在地球的每一個角落裡都能準確迅速地進行信息交流；激光唱盤可以使我們渴望親耳聆聽世界名曲的現場演奏幾近成真。總之，激光正實現着幾年前還令人難以置信的技術奇蹟。從工業生產到醫學，從電訊通信到戰爭機器，科學和技術正運用激光來解決一個又一個的難題。

　　激光廣泛應用的基礎在於它的特性。激光單色性好，又可在一個狹小的方向內有集中的高能量，因此利用聚焦後的激光束可以對各種材料進行打孔。這是令人驚奇的。從紅寶石激光器中輸出脈衝的總能量煮不熟一個雞蛋，但卻能在 3毫米的鋼板上鑽出一個孔。為什麼激光這麼神奇呢？關鍵不是光的能量，而在於其功率。激光的功率是很高的，這也是它多方面被應用的基礎。

　　在激光出現之前，只能用硬度較大的物質在硬度較小的物質上打孔。這樣要在硬度最大的金剛石上打孔，就成了極其困難的事。激光出現後，這一類的操作既快又安全。用激光來切割鋼板也是又快又省事。現代的激光成了人們所幻想追求的“削鐵如泥”的“寶劍”。激光還可用於焊接，用比切割金屬時功率較小的激光束，使材料熔化而不使其氣化，在冷卻後成為一塊連續的固體結構。激光在工業領域中的應用是有局限和缺點的。用激光來切割食物和膠合板並不成功。食物被切開的同時也被灼燒了，而切割膠合板在經濟上還遠不合算。另外，激光鑽出的孔是圓錐形的，而不是機械鑽孔的圓柱形，這在有些地方是很不方便的。

　　激光在電子工業中也得到廣泛應用。可以用它來進行微型儀器的精密加工，可以對脆弱易碎的半導體材料進行精細的劃片，也可以用來調整微型電阻的阻值。隨着激光器性能的改善和新型激光器的出現，激光在超大規模集成電路方面的應用已經成為許多其他工藝所無法取代的關鍵性技藝，為超大規模集成電路的發展展現出令人鼓舞的前景。

　　激光的出現引發了印刷工業中的一場革命。現代社會中，信息的作用越來越重要。誰掌握的信息越迅速、越準確、越豐富，誰也就更加掌握了主動權，也就有更多成功的機會。因此在信息傳播中，加快印刷速度，縮短出版周期也就有了相當重要的意義。

　　現在已經得到廣泛應用的激光照排技術就是一項重大的革命。激光照排是將文字通過計算機分解為點陣，然後控制激光在感光底片上掃描，用曝光點的點陣組成文字和圖像。現在我國已廣泛應用的漢字排版技術就採用了激光照排，它比古老的鉛字排版工效至少提高5倍。

　　一般照相機照出的照片都是平面的，沒有立體感。用物理術語來說，得到的僅是二維圖像，很多信息都失去了。當激光出現後，人類才第一次得到了全息照片。所謂全息照片就是記錄了景物的全部信息的照片。全息照片不用一般的照相機，而要用一台激光器。激光束用分光鏡一分為二，其中一束照到被拍攝的景物上，稱為物光束；另一束直接照到感光膠片即全息干板上，稱為參考光束。物光束被物體反射後，其反射光束也照射在膠片上，就完成了全息照相的攝製過程。全息照片和普通照片截然不同。用肉眼去看，全息照片上只有些亂七八糟的條紋。可是若用一束激光去照射該照片，眼前就會出現逼真的立體景物。更奇妙的是，從不同的角度去觀察，就可以看到原來物體的不同側面。而且，如果不小心把全息照片弄碎了，那也沒有關係。隨意拿起其中的一小塊碎片，用同樣的方法觀察，原來的被攝物體仍然能完整無缺地顯示出來。全息照相的原理是利用光的干涉原理，利用兩束光的干涉來記錄被攝物體的信息。這個理論很早就有人提出過，但只有激光才能達到它所要求的高度單色性。因此，只有在激光器誕生以後人們才實現了這一夢想。

　　激光大顯身手的另一領域是醫學。在外科手術中它不僅可以作為激光刀使用，而且在眼科、牙科、皮膚科與整容各方面都有獨到的應用。激光刀的妙處在於它切割的同時也進行了灼燒，這恰好封閉血管防止其出血，也減少了感染的危險。用激光對牙齒進行無痛鑽孔和去牙蛀，使人們對以前望而生畏的牙科手術大感輕鬆。相比以前的機械打孔，激光鑽孔不僅不會產生大量的摩擦熱，而且其所蒸發掉的只是被腐蝕處的黑色牙區，不會對健康的牙組織產生影響，從而疼痛感會大大減輕。激光在眼科上的應用是最令人嘆為觀止的。激光可以焊接脫開的視網膜，封閉破漏的血管，徹底摧毀飄浮在眼中凍膠狀液體中的微小的沙粒(使其氣化)。激光手術的優點是不需要切開眼睛就能完成手術，而且手術的疼痛感大為緩和。

　　對於目前的不治之症--癌症，激光也提供了有效的武器。一方面，激光可以用作激光刀來切除腫瘤；另一方面，在癌症的早期診斷方面也卓有成效。癌症的早期診斷對於其治療有着決定性意義。藉助於激光能準確地確定腫瘤細胞和正常細胞，同時也提供了一個新的治療途徑。藉助於一些特殊的化學物質，採用激光化療法，能使這些特殊物質在激光作用下殺死腫瘤細胞，從而達到治療癌症的目的。

　　通訊設施是人類社會生活，尤其是現代社會生活必不可少的。激光的發明使通訊進入一個新天地。原來的電磁通訊技術容量小，保密性差，越來越不能滿足社會發展的要求。電話之父貝爾早在1880年就有過光電話的設想，但由於普通光受雲、雨、霧所阻礙，實驗失敗了。激光發明後，結合另一發明光導纖維，光通訊重獲新生並得到迅速應用。

　　光導纖維的概念可以回溯到1870年。英國科學家約翰·廷德爾使用有反射表面的管子，讓光以曲折的“之”字形方式輸送。如果用玻璃管，那麼從一端射入的光將會從另一端射出，即使玻璃管彎曲多次結果仍然不變。其中奧妙在於光的全反射現象：當光在玻璃管內以某種角度射向玻璃和空氣的界面時會全部反射回玻璃內。因此在光的傳送過程中沒有能量的損失，現代光導纖維應用了同樣原理。柔軟的高純度的玻璃纖維比頭髮絲還細，但卻比同直徑的鋼絲強度還高。光在光導纖維內沿之字形傳播，因此光導纖維彎曲後也不影響其傳播。

　　激光通訊與無線電通訊相比，激光通訊保密性好，在軍事通訊中應用十分廣泛。另外，在空間通訊領域，選取不被大氣吸收的波長的激光可以克服無線電通訊的一些局限。可是由於激光光束在大氣層里傳播時會受到大氣中微粒的吸收或散射，從而使激光通訊的距離受到限制。這使得目前的激光通訊只能作為無線電通訊的一個有效補充，但還不能夠取而代之。

　　很久以前，有人幻想一種“死光武器”的出現。在古希臘，阿基米德利用巨大的反光聚焦鏡摧毀了入侵者的兵艦，但那時的船還是由木頭做的。現代的激光讓人們有可能實現古代的夢想，製造出可以摧毀一切的激光武器。美國現在全力研製的“星球大戰”防衛體系，其所依賴的重要一環就是用激光束來擊毀入侵的導彈。可以設想，一枚載着核彈頭的導彈在強激光的照射下會迅速化為一陣煙霧消散在空中，這該是多麼奇妙的事。

　　用激光作為“死光”武器，不能像在激光加工中那樣藉助於透鏡聚焦，而必須大大提高激光器的輸出功率。目前的激光武器有兩種，一種是戰術武器，也就是像常規武器那樣直接殺傷敵方人員、擊毀坦克、飛機等。這種武器的主要代表有激光槍和激光炮，它們能夠發出很強的激光束來打擊敵人。另一種是戰略武器，用於對付敵方的遠程導彈、軍事衛星等空間武器。研究戰略武器的關鍵是製造大功率高能量的激光器，其能量和功率足以摧毀導彈和衛星。目前，已經進行了這類實驗並獲得成功，但其成果是保密的。

　　激光測距儀是激光在軍事上應用的起點。60年代的越南戰爭和中東戰爭首先將其應用到火炮系統，大大提高了火炮射擊精度。雷達是二戰中的產物，而激光雷達又給雷達發展指示新方向。相比於無線電雷達，由於激光發散角小，方向性好，因此其測量精度大幅度提高。由於同樣的原因，激光雷達不存在“盲區”，因此尤其適宜於對導彈初始階段的跟蹤測量。但由於大氣的影響，激光雷達並不適宜在大範圍內搜索，還只能作為無線電雷達的有力補足。

　　此外，還有精確的激光制導導彈，以及模擬戰場上使用的激光武器技術運用。在激光實戰演習的戰場上，酷似實際戰爭場面。那裡，炮聲隆隆，硝煙瀰漫，演習的雙方互相射擊，不時有傷員退出戰場。為什麼會這樣呢？原因並不複雜。像一支激光步槍，每發射一次就射出一束激光。而演習雙方戰士的身上都有光電接收器和發聲裝置。如果某束光射中一名士兵，則通過其隨身的計算機分析會得出“死亡”、“受傷”和“喪失戰鬥能力”等結論，並同時發出聲音和煙霧。激光模擬實戰演習大大節約了演習費用，而又逼真地表現了戰爭氣氛，確保人員生命安全，因此廣為各國軍隊歡迎。

　　激光技術是高科技的產物，其產生又推動了科學研究的深入發展，並開拓出許多新的學科領域，如非線性光學、激光光譜學、激光化學、激光生物學等。激光被用來研究與生命密切相關的光合作用、血紅蛋白、DNA 等的機制。激光還將成為時間和長度的新標準，以後任何高精度的鐘表和米尺都可以用某一特定波長的激光束來標定。激光在核能應用上也將大顯身手。樂觀的專家們估計，到2020年強大的激光會產生安全經濟的熱核聚變，這類似恆星內部的核反應過程。如果實現，熱核聚變將帶來巨大無比的社會和經濟效益，能源危機亦將不復存在。到那時，一桶水中的氫聚變後所產生的電力足夠一個城市使用。

　　激光從誕生到目前只有短短的一段歷史。由愛因斯坦受激輻射理論的提出，到戰後科學技術水平的迅速提高，使得技術條件日趨成熟，從而在1954年由美國物理學家湯斯首先製造出第一台氨微波激射器。同時，提出激光理論的還有蘇聯的巴索夫和普羅霍洛夫。這三人共同分享了1964年的諾貝爾物理學獎。

　　目前，激光技術已經融入我們的日常生活之中了。在未來的歲月中，激光會帶給我們更多的奇蹟。