激光是20世紀以來繼核能、電腦、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。1960年的5月16日，美國物理學家梅曼發(fā)明了世界首臺激光器。人類第一次有了如此單色性好、高準直、高能量密度的神奇光源。自1960年第一臺激光器發(fā)明以來，激光已經(jīng)在通信、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、軍事武器等領(lǐng)域有著廣泛應用，成為了一種跨學科的通用技術(shù)，對諸多領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了巨大作用，也促進了社會生產(chǎn)效率的提高。那么，究竟什么是激光?它又是如何產(chǎn)生的呢?

什么是激光?

激光(英文名：laser)是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的縮寫，意為由受激輻射引起的光放大。1964年，當這個技術(shù)傳到中國時，錢學森先生為它定了這個名字。在民間它還有一個頗為霸氣的譯音名字“鐳射”。在了解激光之前，我們先來看看什么是光?

光是由光子產(chǎn)生的，1905年，愛因斯坦在他關(guān)于光電效應的論文中首先提到光子的概念。**光子是組成物質(zhì)的基本粒子之一。光子非常小，靜止時沒有質(zhì)量。根據(jù)量子力學的原理，當電子從勢能較高的外層跌入勢能較低的內(nèi)層時，相應的原子核會釋放出光子，從而產(chǎn)生光。**跌落的層數(shù)越多，光子的能量越大。這一過程是可逆的，當光子射入時，原子核會吸入光子，而電子則因為獲得了能量，從勢能較低的內(nèi)層遷移到勢能較高的外層。

光的吸收與產(chǎn)生

激光的特點在于它所有的光子都以同樣的波長、同樣的相位一起運動。在一個原子體系中，電子基本上是分層運動的，當原子會受到外界環(huán)境的影響，高能級電子躍遷到低能級時會有“自發(fā)輻射”和“受激輻射”這兩種表現(xiàn)。激光就是通過受激輻射產(chǎn)生的，簡單來說激光就是在特定的“泵浦源”的作用下，物體的原子被“激發(fā)”出來的“光輻射”。

什么是激光器?

激光器是激光的發(fā)生裝置，主要由泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔等組成。泵浦源為激光器的激發(fā)源，它將能量提供給低能級的電子，使其激發(fā)為高能級的電子，常見的有光學激勵、氣體放電激勵、化學激勵、核能激勵等;諧振腔為泵浦光源與增益介質(zhì)之間的回路，通常是由具有一定幾何形狀和光學反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成，使受激發(fā)的光在腔內(nèi)多次往返以形成相干的持續(xù)振蕩得到放大，并限制光束的頻率和方向;增益介質(zhì)則是指可將光放大的工作媒介。

激光器的組成

自1917年愛因斯坦提出受激輻射以來，科學家們歷經(jīng)了43年的不懈探索，才終于在1960年制造出了世界上第一臺激光器。來自美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼利用一個高強閃光燈管，來照射紅寶石，使紅寶石中的鉻原子受到激發(fā)，發(fā)出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鉆一個孔，使紅光可以從這個孔溢出，從而產(chǎn)生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使其達到比太陽表面還高的溫度。于是世界上第一臺激光器——紅寶石激光器問世了，它的波長為0.6943微米，這是人類有史以來獲得的第一束激光。

梅曼和紅寶石激光器

激光在各個領(lǐng)域的應用

01醫(yī)療領(lǐng)域

飛秒激光是一種以脈沖形式發(fā)射的激光，持續(xù)時間只有幾個飛秒(1飛秒=千萬億分之一秒)，是人類在實驗條件下所能獲得的最短脈沖。飛秒激光被用于眼科手術(shù)，被譽為繼波前像差技術(shù)之后“屈光手術(shù)的又一次革命”。

飛秒激光治療近視

激光還能用來美容，通過將特定波長的激光光束透過表皮和真皮層，破壞色素細胞和色素顆粒，碎片經(jīng)由體內(nèi)的巨噬細胞處理吸收，達到安全不留疤痕，高效地實現(xiàn)美白的目的。

02軍事領(lǐng)域

激光在科技、軍事上的應用也有很多。如激光光譜、激光雷達、激光武器(遠程擊毀導彈)等等。激光武器具有攻擊速度快、轉(zhuǎn)向靈活、可實現(xiàn)精確打擊、不受電磁干擾等優(yōu)點，但也存在易受天氣和環(huán)境影響等弱點。目前，低能激光武器已經(jīng)投入使用，主要用于干擾和致盲較近距離的光電傳感器，以及攻擊人眼和一些增強型觀測設(shè)備;高能激光武器主要采用化學激光器。

軍用激光制導

另外，早在我國引用飛秒激光之前，英美等發(fā)達國家早已在海軍陸戰(zhàn)隊和戰(zhàn)機飛行員中開展飛秒制瓣的激光手術(shù)，那些特種士兵優(yōu)先接受這種手術(shù)，不僅能提高夜視力，還能使成像能力更加精細。

來源：力學科普

審核編輯：湯梓紅