小小激光筆,或致大災(zāi)禍
———記激光器誕生60周年

◇ 北京 程 帥

很多老師在講課時(shí)都離不開一只小小的激光筆,輕點(diǎn)一下按鈕,即可射出一道筆直的光束,照射在PPT上,亮點(diǎn)清晰可見.然而,這小小的激光筆竟可能導(dǎo)致大災(zāi)禍.寧波一名12歲男孩在鏡子前擺弄激光筆,誤將激光照射到自己的眼睛上,導(dǎo)致視網(wǎng)膜嚴(yán)重受損,接近失明.2013年,埃及開羅的示威游行者甚至用激光筆驅(qū)趕了武裝直升機(jī).一只小小的激光筆為何有這么大的威力呢?這還要從激光的原理說起.

1 激光的原理

處于低能級(jí)的粒子在受到光子激發(fā)時(shí)會(huì)躍遷到較高能級(jí),即受激吸收.而處于較高能級(jí)的粒子也可以自發(fā)地釋放光子而躍遷到較低能級(jí),即自發(fā)輻射.這時(shí)發(fā)出的光只是普通光,光子的頻率和相位也是隨機(jī)的.1917年,愛因斯坦進(jìn)一步提出原子在受到光子激發(fā)時(shí)不僅可以躍遷到較高能級(jí),同時(shí)會(huì)引起粒子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí),并且釋放出兩個(gè)與外來光子具有相同頻率、相位、偏振態(tài)和方向的光子,稱為受激輻射(如圖1).

圖1

設(shè)想如果有很多光子參與激發(fā),粒子會(huì)產(chǎn)生從低能級(jí)到高能級(jí)以及高能級(jí)到低能級(jí)的反復(fù)躍遷,從而釋放出成倍相同特性的光子,使得原本的光信號(hào)被放大,我國物理學(xué)家錢學(xué)森把這種現(xiàn)象命名為激光.

2 激光的特性

2.1 定向發(fā)光

由于普通光源是向四面八方發(fā)光的,所以生活中要想得到一束平行光,通常需借助凹面鏡等類似的工具先將光聚集,再發(fā)射出去,而這樣的光傳播到一定距離之后就會(huì)散成一片,因此往往照不遠(yuǎn).而激光是由很多性質(zhì)相同的光子構(gòu)成,朝同一個(gè)方向傳播,是不相干光,光的發(fā)散度極低.一只普通的激光筆可以照射幾千米遠(yuǎn).1962年,科學(xué)家用激光照射38萬千米外的月球,到達(dá)月球后的光斑直徑不足2千米.

2.2 亮度極高

由于構(gòu)成激光的光子性質(zhì)相同,且這些光子是在極短的時(shí)間內(nèi)迸發(fā)出來,被束縛在一定范圍之內(nèi),照射到一個(gè)極窄的空間上,因此激光的亮度極高,可以達(dá)到太陽光亮度的百萬倍以上.這樣的光照射到飛機(jī)上會(huì)嚴(yán)重影響駕駛安全,許多國家都規(guī)定了禁止用激光照射飛行器,嚴(yán)重者會(huì)被罰款甚至判刑.

2.3 顏色極純

光的顏色由光的波長決定,太陽光波長分布在0.76μm～0.4μm,不具有單色性.單色性最好的氪燈發(fā)射的紅色光波長范圍也要到10－5nm,而激光的波長分布在一個(gè)很窄的范圍內(nèi),可以達(dá)到10－9nm,是氪燈發(fā)射的紅光波長的萬分之一,因此顏色極純.我們?nèi)庋劭吹降募す馔皇蔷G色或者紅色的單色光,不摻有其他顏色.

2.4 能量極高

光子能量E＝hν,h為普朗克常量,激光的頻率ν可以達(dá)到3.846×1014Hz～7.895×1014Hz,可見激光的能量很高.若激光照射到眼睛,可以在瞬間燒毀視網(wǎng)膜上的黃斑區(qū),導(dǎo)致視力下降甚至失明.所以在使用激光筆的時(shí)候,切記不能照射他人的眼睛和皮膚.激光作為光的一種,在真空中的傳播速度為3×108m·s－1,自誕生以來就被賦予世界上“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”等稱號(hào).

3 激光的應(yīng)用

1960年7月,物理學(xué)家西奧多·梅曼制成了世界上第一個(gè)激光器——紅寶石激光器.自此,激光促生了很多科研成果,例如激光武器速度為洲際導(dǎo)彈的幾萬倍,可以在幾秒鐘內(nèi)直達(dá)世界任何角落,未來很有可能取代火炮.另外,借助激光的特性可以實(shí)現(xiàn)激光制導(dǎo)、測距、雕刻、切割(如圖2)、美容、治療靜脈曲張,實(shí)現(xiàn)光纖通信和全息成像技術(shù)等.在城市的夜空,用激光光束照向天空(如圖3),可以排布不同的圖案,給人一種科幻美感,為城市的夜空增添一分靚麗.

2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一半獎(jiǎng)金頒給了美國科學(xué)家阿瑟·阿什金,獎(jiǎng)勵(lì)他發(fā)明了可以操縱原子的光鑷(如圖4),又稱單光子束粒子阱.生活中的鑷子可以借助手施加的力夾起有形的物體,而要夾起原子、分子絕非易事.光在照射到物體表面時(shí)會(huì)發(fā)生反射和折射,同時(shí)給物體一個(gè)壓力,稱為光壓.普通光的光壓很小,而激光可以提供足夠的光壓,在與粒子相互作用時(shí)產(chǎn)生把粒子推向中心的力,達(dá)到鉗住粒子的效果,移動(dòng)光束,就可以實(shí)現(xiàn)遷移粒子的目的.

圖2

圖3

自激光器誕生以來,與激光相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)有十幾項(xiàng),包括1971年的全息技術(shù)、1997年的激光冷卻、2009年的光纖通信等.2020年是激光器誕生60周年,相信未來科學(xué)家會(huì)在激光領(lǐng)域有更大的發(fā)現(xiàn).

圖4