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院士跟你聊聊,激光的昨天,今天和明天
发布时间: 2020-06-01 10:09来源: 转载自微信公众号:科学大院

60年前,人类有了第一束激光
它不仅在军事上有很重要的应用
而且工业上可用于汽车钢板的切割
医学上可用于做激光手术
通信上可以加快信息的传递
生活上可带来丰富多彩的激光表演
......
一束小小的激光竟然有如此多的功能
今天我们就跟随中国科学院的李儒新院士
了解一下激光和它背后的故事



(以下为李儒新院士演讲实录)

       大家好!我是李儒新,来自中国科学院上海光学精密机械研究所,60年前的5月16号,人类有了第一束激光,所以今天我就跟大家聊一聊激光的那些事情。

       60年前美国工程师梅曼发明了人类的第一台激光器,中国的第一台激光器比美国的第一台激光器  晚了一年多,是由中国科学家王之江院士,和他的团队在1961年在长春发明的,大家可以看到,这个就是我们国家第一台激光器的复制品,两边是激光器的最基本的一个单元的组成,就是它的两块反射镜构成谐振腔,激光器的发明以及它所展示出来的强大的应用前景,很快就引起了党和国家领导人的高度重视。


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       1963年12月16号,毛主席听取了聂荣臻副总理,聂荣臻副总理当时是我们国家负责科技方面的最高领导人,他向毛主席汇报了激光的研究和应用的一些进展情况。毛主席就有一个即时讲话,在1963年12月16日,所以这是我们中国的激光发展史上值得记住的一个重要的一天。


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       毛主席说死光,因为当时并没有激光这两个词,激光这两个词是1964年,后面由钱学森提出的建议名字,当时因为只有英文LASER,所以我们国家把它叫死光,毛主席说死光要有一小批人专门去研究它,吃不了饭不干别的,专门研究它。


激光名称的由来

       激光它的英文叫LASER,LASER实际上是受激辐射光放大的英文这几个词的缩写。那么我们现在把它称为激光,它是有内涵的。而我们的台湾同胞就直接把英文的LASER翻译成镭射,所以它是一个音译。因此现在我们大陆用的激光翻译它是个意译,它是比较准确的把激光的工作原理的基本的内涵给它点明了,它是个受激辐射的光放大过程。


激光的实际应用

       激光技术的发明在这过去的60多年来,给人类的生产生活带来了巨大的变化,它有很多方面的应用。给大家举一些例子,比如说最早的名称叫死光,是因为它可能在军事上有很重要的应用,在工业生产上面,它可以用于汽车钢板的切割,医学上可以用来做激光手术,在切割的时候同时就能止血,它比手术刀的功能还多了一点。另外在通信领域它现在是发挥了巨大的作用,我们之所以能够互联网上面冲浪有快速的信息的传递的容量,就是因为用了激光作为信息的载体。另外在生活的很多方面,比如说它可以用来做激光表演,激光音乐、激光电视等等,都为我们的生活增加了很多乐趣。


激光为什么那么有用呢?

      这是因为激光不同于其他光源,它具有单色性、相干性、方向性和很高的亮度,能够把这些特性结合在一起的光源就只有激光。

       我先给大家讲一讲我们家里常用的灯泡,白炽灯的发光原理,白炽灯发光原理就是电流通过钨丝,变为加热的钨丝,钨丝温度升高,它就发出光。所以大家有时候看到快要坏掉的灯泡,眼睛可以看到钨丝里面变红的过程,然后它就断掉了。

 

       那么我们人因为体温是37(摄氏)度,我们也可以发出光,但是37(摄氏)度发出的光,波长我们看不见光,它的波长是在10微米左右,所以白炽灯的发光原理是跟温度有关的,这是一种光源。

       我们再来看一看,现在家里大家都也是很普遍的使用的节能灯,它是一种荧光灯的原理,它的基本原理是电流通过电离里面的气体,(释放的紫外线)去轰击管壁上镀的白色的荧光粉就会发出光,效率会比刚才的加热钨丝发出的光的从电到光的转换效率会更高,所以它就更节约能量,大家就把它叫做节能灯。

 

       还有一种光源,大家就是去参加音乐会,看体育表演中经常要做拉拉队所使用的荧光棒,荧光棒的发光的原理,跟刚才的节能灯有类似的地方,都是由荧光的一种发光的这种原理。但是在荧光棒里是一个化学反应过程,当我们弯曲荧光棒的时候,就会引起其中的一些化学反应,那么这个化学反应就会使荧光分子的能级从低能跳到激发态高能级,那么在高能级的荧光分子,它会在一定时间里面会自动会跳回它的基态。在荧光分子的跳跃过程中,它也会发出光。所以这是我们大家平常常见的几种光源的发光原理。

 

激光如何输出

       要想获得单色性和方向性非常好的激光,我们就需要在激光腔里面的工作介质红宝石和激光腔两端的腔镜的帮助。在这台中国第一台激光器里面,要达到上述目标的话,大家可以看到我们希望的两个腔镜之间要非常的平行,它们端面和端面之间的不同位置的误差不能超过200个纳米。那么在谐振腔里面就发生了两件事情:第一,任何与轴线不平行的光线,最终都会从圆柱体的侧面出来;第二,只有平行于轴线的这些光线能够不断的反射变得越来越强。轴向端产生驻波,这就意味着只有特定的波长可以在腔里面存在,可以来回的反射。所以激光腔可以正确的选择波长,可以获得接近于单色光的波长的这样一个激光的特性。


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       激光器大家看上去好像比较复杂,实际上它就只有三个要素:一是我刚才给大家提到的它要有个工作介质,我们第一台激光器里面它就是红宝石;另外它要有一个腔镜构成谐振腔,那么这里就是两块镀银的反射镜;还有一个重要的要素,它的能量从哪来?我们要有一个闪光灯,把能量交给工作介质。这就是激光的三要素。工作介质、谐振腔,和能量来源,我们一般把它称为泵浦源,激光的三要素中的工作介质对我们中国的第一台激光器来说,工作介质就是红宝石,那么美国人梅曼发明的第一台激光器的工作介质也是红宝石。60年过去了,现在出现了多种多样的激光器,工作介质五花八门,有固体的、气体的、电子的、半导体的都有,比如说大家很常见的激光笔,它的工作介质就是半导体,所以现在有多种多样的激光的工作介质。


展望未来

      我们刚才已经简单的聊了聊激光器在过去60年代发明的过程、它的特性和它的一些应用,那么大家可以来预测一下,未来激光器还有可能给我们人类生产生活带来什么新的可能性。我们就来从它的一个特点开始说起。

       刚才讲到激光的特性之一是高亮度,那么激光的亮度可比太阳光亮多了。比如说现在在上海浦东建设的羲和激光,那么如果用一个放大镜把羲和激光1016W的激光聚焦,聚焦以后达到的亮度或者说功率密度,即单位面积上的功率,达到了10 22~1023这么高的量级。在这样一个亮度下面,我们的物质世界就会发生巨大的变化,材料的特性就发生变化。

 

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        我们更往前设想一点,如果强度继续提高,比如说我们现在设想,如果能够把强度和聚焦的功率密度再提高1~2个数量级,到达1023或者1024W/cm2。在这样的光场下,就有可能把真空变成有东西,形象的说,我们就假设真空里面没东西,但是激光足够强了以后,就像一个照妖镜一样能够照出里面的妖怪,里面妖怪是什么?根据量子电动力学,真空里面,实际上是一个能够把正物质-反物质(粒子对)激发出来这么一个基本的状态。真空不是空的,它是按经典的这样一个物理的描述它是空的,但是在量子力学里面,真空里面是会不断的会产生正物质和反物质,所以我们就希望当光强足够高的时候,能够验证真空的量子电动力学效应。

 

       阿秒是什么概念?阿秒是10-18秒,所以有朝一日我们能够做出阿秒的激光,实现超快的显微镜或者加上闪光灯,就能够看清楚原子这种尺度里面的这么快的过程,所以这也是人类的梦想之一。

       当然激光器还有很多其他的应用价值,比如说很多的蛋白质结构的测量,比如说对病毒的结构的测量,我们现在都是测量它的稳定的结构。那么它的蛋白质结构的测量,如果变成能够拍电影的话,我们就可以看到,比如说在用药物去治疗,去杀伤杀灭病毒的过程中,我们是怎么看到药物的分子跟蛋白质的病毒的蛋白质分子之间是怎么结合的?我们也希望将来有朝一日用激光作为一种手段,能够把这个过程全部把它探测出来,这样就为研发对抗病毒,提供关键的数据。所以这些在生命科学和在物理学,还有化学,还有材料科学方面有很多应用,都是未来的几年里面或者几十年里面都会出现,我们就期待着这一天的早日到来。

 

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     在要结束跟大家的聊天之前,我也想给大家提一点希望。今年是2020年,5年前的2015年联合国把2015年就确定为国际光年,国际光年的那一年,我们做了一件事情,拍摄了跟激光有关的诺贝尔奖的视频,拍成了每个诺贝尔奖的小故事,大概拍成了三分钟的视频,做成动画,把诺奖的基本的原理把它做成动画展示给大家。

       我们非常高兴的是发现,当我们把这些视频放到网上去以后,有很多小朋友们就受到了启发。我印象很深刻的是其中有一位中学生他写信过来说,当他看到了这些非常美妙的这些跟光有关的诺贝尔奖的故事之后,他就萌发了将来一定要学习光学这样一个愿望。所以我想跟大家交流的这些激光有关的基本原理也好,或它的应用也好,最后落脚点还落到能够给我们的生活带来更多改善和提高,也就是我们曾经有一个口号,就是激光让生活更美好,希望大家一起努力做到这一点。谢谢大家!


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