首页 > 媒体中心 > 行业资讯

行业资讯

讲讲我们熟悉又陌生的国之重器——激光

发布:2022-06-10  阅读:34

激光,在生活中无处不在,却又神秘莫测。不知道大家是不是和我有一样的疑问:我们身边的激光打印机也没什么稀奇的,激光笔低价的才几元一支,为什么老师一边拿着这么便宜的激光笔在黑板上指指点点,一边又说激光是高科技,国之重器呢?

世界上第一台激光器刚刚度过了它60岁的诞辰(1960年5月16日世界第一台激光器——红宝石激光器诞生),今天小编就来给大家仔细讲讲激光究竟是一个什么样的东西,和我们的生活又有什么关系。

第一台红宝石激光器

普通光为自发辐射,但激光为受激辐射

首先要弄清楚光源发光的机理。我们日常生活中的普通电灯所发出的光通常源于自发辐射。以最简单的白炽灯为例,首先给灯丝通以电流,灯丝就会发热,这时灯丝原子的核外电子就会吸收热能,从较低的能级跃迁到较高的能级去。这就好像给电子充钱成为 VIP 电子,不过人家是良心商家,随时可以退款,当了一阵 VIP 以后觉得没意思,电子又从高能级跃迁回低能级去,这时为了满足能量守恒定律,电子不会白白跌回去,而是会同时向外辐射出一个光子,这就发光了。注意这时电子是自己不想当 VIP 了所以跳回去,因此叫做自发辐射。自发辐射的特点就是各个光子之间相互独立,没有规律,所以普通电灯发出的光是射向四面八方的,并且辐射的频率也不确定,比如发白光的日光灯就包含七种单色光,白炽灯所发的黄光也不是真正的单色光,而是包含了一定的波谱宽度的。

音乐会上的激光灯

激光之所以区别于普通光源,就在于其发光机理是受激辐射。在介绍受激辐射之前,我们先来看看激光这个名字的由来。想必大家知道激光的英文名 Laser,年纪稍长的朋友可能还租过镭射影碟,“镭射”就是英文单词 Laser 的音译。这个单词并不是凭空新造的一个词,而是取自激光本意 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的首字母缩写,含义是“受激辐射的光放大”,即通过受激辐射产生的光经过放大之后,中文名字的“激光”是在钱学森的建议下经讨论后正式采用的。

说来说去,那受激辐射究竟是什么呢?且看下面这张图:

自发辐射(左)和受激辐射(右)

图中水平的两条横线E2和E1表示电子的能级,越高表示电子的能量越高(VIP 等级越高),左边自发辐射电子从高能级向低能级跃迁,同时辐射出一个能量等于两能级能量差的光子;而受激辐射则是在外加光子的作用下,辐射出一个完全一样的光子,这就是所谓“受激”的过程。这里再补充一下, hν在是一个光子的能量,其中h是普朗克常数,可以不用管它,而ν则是光的频率,它直接决定了我们看到的光的颜色,每一个频率都对应着一个确定的颜色,下表列举了可见光所对应的频率和波长范围(波长和频率也是一一对应的)。我们可以看到,红橙黄绿青蓝紫,光的频率是逐渐增高的,这也就是为什么我们生活中看到温度越高的光源,其颜色越偏向蓝色。

前面已经说到,受激辐射是在外加光场的作用下,产生一个完全相同的光子的过程。这个外来的光子,可以是自发辐射产生的,也可以是人为注入的种子光,总之它进来了以后,出去的时候就会带着一个一模一样的好兄弟。所谓一模一样,就是说两个光子无法分辨,相当于一个复制放大的过程,如果再这个过程的出口加上反射镜,这两个光子又被反射回来,再来一次受激辐射,变成四个光子,如此反复,最终形成了激光。到此为止,我已经简要说明了激光产生的过程,但想必各位心中还憋了老多疑问,大家稍安勿躁,我待会会一一介绍。

激光产生的原理就是受激辐射,这个其实非常简单,早在 1916 年爱因斯坦就已经提出该理论。但要想制造出稳定的激光器,还是破费一番周折,直到 44 年后方才实现。激光器有三大要素:工作物质,泵浦源(或激励源),谐振腔。这三个陌生的名字只怕一看就令人望而生畏,其实只是纸老虎而已,听我慢慢说来。所谓“工作物质”,就是发光的东西,相当于灯丝(对于第一台激光器而言,工作物质是红宝石);而泵浦源,简单可以理解为电源,通过通电不断使得工作物质的电子从低能级被泵浦到高能级,也就是激光器的能量提供者(VIP 赞助商)。谐振腔,其实就是两块反射镜。

首先工作物质被泵浦源充值为 VIP,产生了自发辐射。自发辐射的光子是射向四面八方的,大部分就溜走了,但是垂直射向反射镜方向的光子却被反射回来,由此不断地进行受激辐射的过程,不断放大——这就是谐振腔的“自然选择”过程。左边这块镜子是完全反射的,右边这块镜子则可以透过一部分,反射一部分,透过的那一部分就变成了激光输出,反射的那一部分则作为投资的本钱继续放大,最终就形成了连续稳定的激光输出。注意这里谐振腔如果是两个平面镜构成,就叫做平平腔;也可以由一个平面镜和一个凹面镜组成,叫做平凹腔,所以业内一向认为贾平凹是搞激光的。

平平腔(左)和平凹腔(右)

想必各位已经听得不耐烦了:我只关心激光能干什么,你讲这么多原理干什么?其实仔细看了上面的过程的童鞋就会知道,激光的特性与它发光的机理是分不开的:首先是受激辐射的过程保证了激光的单色性(每个光子的频率都是一样的,颜色也就唯一)和相干性(这对于全息术等应用有重要的意义),通过谐振腔选出的光束具有很好的方向性(可以用于定向打击、测距等),最重要的还是激光的高强度高功率特性。

下面我就专门来讲讲激光的应用领域,你会发现多到难以想象,真的是无处不在。

我们身边的激光

激光笔

首先回到我们开篇的问题,激光笔还有收银员用的条码机可能是我们生活中最常见、最便宜的激光器了。激光笔的功耗也很小,似乎也没什么杀伤力,很难把它和我们印象里的威力巨大的激光联系起来。但激光笔的的确确是一个固体激光器。激光笔一般都是红色,也有蓝色绿色的,但激光器是不会发出“白光”这样的复合光的;而且激光笔可以传输很远的距离还能在墙上形成一个小光斑,这说明其方向性很好;如果你不小心直视了激光笔,那一下眼睛还是受不了的,可见在它管辖的很小的光束范围内,所集中的能量还是很强大的。这些都是普通光源所无法实现的特性。

切记,不可直视激光笔!

激光加工

激光笔之所以便宜,就因为其功率低,工作物质是常见的半导体器件,一般激光功率不大于 5 mW。我们平时生活中还会用到的激光打印机也是使用这样低功率的激光器。不过,目前世界上功率最高的激光器已经可以达到拍瓦量级(1015 W),相当于全球电网平均功率的 500 倍。什么?比全球电网功率还高 500 倍?那谁给激光器供电呢?其实对于这种大功率激光器来说,都不是像激光笔那样可以连续发光的了,而是脉冲式的:先让激光在谐振腔里不断振荡放大,并不输出;等积累到了一定的程度,忽然开闸泄洪,势不可挡。这样输出的激光脉冲不仅能量大,而且脉冲持续时间极短,可以达到飞秒量级(10-15 s),也就是说在这样短的一瞬之间,将所有的光全都释放出去了,故而才有极高的峰值功率,因此常把这种激光器叫做超快激光器。

脉冲持续时间短是这种激光器具有巨大价值的重要原因,例如下面几张激光加工的图片就是小编自己在实验室实现的。由于激光的脉冲时间短,激光刚刚射到我们的材料上,脉冲便即结束,迅速作用材料而不会因为巨大的能量导致熔化周围的区域——如武林高手一般出手如电,材料还没反应过来就已经被加工完成了。相比传统机械或焊接加工,激光加工的优势在于可加工材料范围广泛,效率高,加工尺度极小,实现超精细“冷加工”。我们的手表等很多精密仪器其核心零件都采用激光加工的方式实现。

这是小编亲手用激光雕刻做的超能网logo

小编用激光雕刻的树叶

激光内雕

这张激光内雕的图还需解释一下,它是在一块实心的玻璃内部雕刻出来了一个三维的吉他的图案。怎么能在内部加工而不损伤外部呢?其实也很简单,好比用放大镜聚焦太阳光以后可以点着蚂蚁一样,通过控制激光的聚焦程度便可在不损伤外部玻璃的情况下穿透进去,在我们需要的地方实现激光聚焦,进行加工了。这样高能、高精度、超短的激光脉冲还可以用于激光手术,治疗近视眼就是最典型的例子,实现微创甚至无创手术。

激光的各优点的应用:光纤、测距等

上述激光加工主要应用的还是激光的高能、短脉冲特性,这里再简单介绍几个的其他优点具有哪些应用。

首先是单色性或相干性,在物理上这两者实际上是等价的,这涉及到深奥的电磁理论,就不细讲了。那么单色有什么好处呢?和我们最密切相关的是用在光纤通信中。要知道,光纤并不是真空的管子,而是类似于玻璃的介质,而不同颜色的光在介质中传输时速度是不一样的,这就是为什么白光经过三棱镜以后会分解成七色光——而激光的单色性就使得光信号在光纤中传输时不会发生这样的色散,从而保证了通信的质量;此外,为了提高信道的利用率,一条光纤中往往会传输多个光束,正因为其频率不同,才可以进行区分(这叫频分复用技术);更为重要的是,激光具有相干性,用它来携带信息才能解码为电信号,供数字设备使用。激光的相干性在全息成像、全息防伪等应用也是技术关键所在,全息术的实现者也在 1971 年被授予了诺贝尔物理学奖。

全息成像技术

激光的另一大优点就是方向性好。这个最典型的应用就是激光测距,从地球发出一束激光传到月球表面,在月球表面的光斑直径不过两公里,足以反射回来完成测量。在某宝上也可以买到几十几百块钱的激光测距仪,不过这样的测距仪和激光笔一样,也属于半导体激光器,方向性不是特别好,只能测百余米的距离,想测月球那是万万不能了。小编曾经做过改善这种测距仪的设计,使得其可以测到近千米的范围。激光的方向性保证了它可以携带较高的能量传输极远的距离,激光测速、激光雷达乃至激光武器都是利用了激光的这一特性。

高端应用:激光质子放疗、物质成分检测

讲完了在日常生活里能接触到的激光应用,我们再来看看激光在前沿领域有哪些高大上的应用。

2018 年的诺贝尔物理学奖,授予了光镊技术的发明者。光是一种物质,也具有能量和动量,光照在物体时会产生压力,称为“光压”。平时太阳光照在身上,产生的光压微不足道,因此我们没有察觉,但激光非同小可,通过激光形成的光镊可以用于操控基本粒子乃至生物细胞这样的微小事物移动排列,在物理学和生物学研究领域都有相当重要的应用。

利用此前所述的超快激光器所产生的巨大光压还可以将电子和质子从薄靶中打出,形成高能量的电子束和质子束,可以用于癌症的质子放疗。质子放疗的优势在于能够精确猎杀癌细胞而不会损伤正常的组织细胞,这也是目前正在迅猛发展的研究领域。

激光驱动粒子加速

在建的激光质子放疗系统

激光作用在材料表面产生的等离子体也会辐射出光谱,通过测量这些光谱就可以分析出材料的物质成分,比之传统的化学检测方法,有着微创、快速、准确的优势,在珍贵的文物勘探、食品检测、生物医学、地质勘探、海洋探测、太空探测等领域有着不可替代的作用。

激光检测物质成分

激光光压不仅可以加速粒子,也可以使粒子减速,1997 年诺贝尔物理学奖的授奖内容就是“激光捕捉及冷冻原子”,通过减速粒子达到激光冷却的效果。光镊的发明和这项技术是分不开的,2001 年诺贝尔物理学奖也是通过激光冷却实现的,此外激光冷却还在原子钟、原子干涉仪等高科技设备里有着决定性的作用。

因激光的单色性所实现的光学频率梳可以用于高精度的测量而获得 2005 年诺贝尔物理学奖,超分辨荧光显微镜获得 2014 年诺贝尔化学奖,等等不胜枚举。这些我们平时难以接触的前沿领域已经越来越离不开激光的帮助,并越来越需要更强更快的激光器,激光和其他科技的发展相辅相成。

激光是互联网之核心,现代制造业之基石

激光与半导体、计算机被誉为20世纪中期的三大发明,在诞生的半个多世纪以来为人类创造了巨大的物质财富。截至 2018 年,共有 28 为诺贝尔奖得主的研究领域与激光相关。激光,已经成为我们赖以生存的科技社会的一个不可或缺的组成部分,激光是互联网的核心,是现代制造业的基石,是感知世界的手段,是探索未知世界的工具,可以预见激光将会继续在各个领域扮演重要的角色,其未来的发展将会不可限量。