激光器发明60周年

激光器是一项伟大的发明，它向人类提供了一种非同寻常的新型 光源，它的亮度甚至比太阳还髙亿倍。一般探照灯照射的距离只有1千米左右，而激光可以照亮距离我们38万公里的月球；它的单色性和相干性也异常的好 ,单色性比先前有单色性之冠的氪-86灯还高万倍， 它的相干长度达几公里，而其他光源最长的也只有38厘米 。因此，利用激光能够解决许多之前无法解决的问题。

激光器发明背景

一项发明的产生往往源于两方面的推动力：一是物理规律内部的探求，二是社会实践的需求。

波长越短的电磁波，单位时间 内能够传送的信息越多。光波的波长只有微波的万分之一，在单位时间内能够传送比用微波多近万倍 的信息，或者说用同样功率的光波将信息传送的有效距离比用微波延长近万倍。然而 ,1960年代前，光学探测系统的性能明显不如微波系统 ，比如光雷达的探测距离就远小于微波雷达，主要原因是其使用的光源亮度不高。

光学测距机可以做到快速、准确的测量。炮兵部队一般都需要配备光学测距机，如我国云南光学仪器厂在抗日战争时期生产了1万多台光学测距机，配合炮兵部队有力地打击、消灭敌人。但是受光源亮度的限制，它的最大测量距离大约只有3 0千米。要测量更远目标的距离，就需要亮度很高的光源。

现代科学技术研究和工业生 产都涉及长度的精密测量，用光波长做尺子 ,理 论 上 测量精度可达0.005微米。但由于实际使用的光 源其相干性和单色性比较差，实际测量精度远低于这个数值。

照相术虽然能够把景物、人物等的影像逼真地记录下来，但是 ， 照片上显示的只是某一个侧面的影像，看不到事物的整体。这是因 为照相时漏掉了一项重要信息，即光波的位相。我们知道，光波包含 振幅和位相两个参量：振幅反映光的强弱,位相反映方位。把光波这两个参量都记录下来，就能够完全 记录光波携带的信息，这时候通过照片就能够看到三维影像了。基于这个道理，1948年 ，英国科学家盖伯 （D. Gabor) 发明了一种新型照相术—— 全息照相。但是 ，盖伯提出 全息照相后很久未能实现，因为要 实现全息照相，必须要有相干性很 好的光源。

然而，要想大幅度提髙光源的 亮度和相干性几乎是不可能的，根 本原因是光源内的各发光原子的 发光行为没有受到制约，即它们主 要是自发辐射跃迁。爱因斯坦在 1917年发表的“关于辐射的量子理 论 ”论 文 中 提 出 “受 激 发 射 ” 的 概 念 ，利 用 受 激 发 射 跃 迁 能 够 使 各自独立辐射的分子、原子受到约 束 ，让它们都发射相同波长的光辐 射 ，而且都是朝 一 个 方 向 发 射 ，这 样就可大幅度提高光源的亮度和 相干性了。

美国科学家汤斯（C. Townes) 曾接受研制波长为厘米级的微波 振荡器的任务，但是利用传统的制 造方法显然无法完成任务，于是他 决定尝试利用爱因斯坦的受激发 射原理制造这种微波振荡器 ,1954 年 4月他终于研制成功以受激发射 过程为主的新型微波辐射源，并命 名 为 “微 波 激 射 器 ”，它发射单一 频率的、相干性非常好的微波。微 波激射器的成功给人们研制高亮度 、高相干性和单色性光源指出了 方向。1958年汤斯与同在贝尔实验 室的研究员肖洛（A. Schawlow) 合 作 ，对光学激射器进行了细致研究 分析，研究结果发表在 1958年 12月 美 国 《物理评论》（Phys.Rev.）) 杂 志上。该论文论证了制造光学激 射器的可行性、光学激射器的设计 原理 ,并给出了光学振荡条件以及 理论计算结果。肖洛和汤斯的《红 外 与 光 学 量 子 放 大 器 》论文发表 后，世界上几个实验室的科学家便 着手研制激光器，经过两年时间的 努力 ,终于在 1960年5月，美国休斯 ( Hughes) 公 司 实 验室的梅曼（T. Maiman) 采用红宝石晶体做发射 激光的材料 ,用氙闪光灯做泵浦光 源,观察到了激光辐射；同年7月，休 斯公司在美国纽约举行新闻发布 会 ，向社会公布 梅 曼 的 实 验 结 果 ， 宣布研制成功世界第一台激光器。随后 1961年9月，我国也研制成功国内第一台激光器。

梅曼研制成功的激光器给人 类展示出一种光子简并度大于 1的 相干光源，它必将引起光学技术革 命 ，意 义 非 同 凡 响 ，各国科学家们 纷纷积极开展激光器的研究工作， 经过 6 0年的发展，现在制成的激光 器估计有4万多种，其中包括使用不 同物质形态（如固态的、气态的、液 态以及自由电子的）材料做激光工 作物质的；输出激光形式为连续的 或者脉冲的；输出激光波长在不同 波 段 的 （X射线波段、紫外波段、可 见光波段、红外波段以及远红外波 段 ）；激光器尺寸和输出功率为大 型的或微型的等。

常用的激光器主要有：1961年 研制成功氦 -氖气体激光器 ,1973 年研制成功C0 2分子 激 光 器 ,1970 年 代 和 1980年代分别研制成功连 续高功率横向快速流动和轴向快 速流动激光器，连续输出激光功率 高 达 几 万 瓦 ，主要用于工业生产；1 9 6 0年代研制 成 功 Nd: YAG激光 器，1970年代研制成功半导体激光 泵浦的高功率激光器，能量转换效 率获得大幅度提高；1970年代研制 成功光纤激光器，1980年代研制成功高功率输出的双包层高功率光 纤激光器，连续输出激光功率达万 瓦 ；I960年代研制成功半导体激光 器 ；1970年代研制成功异质结半导 体激光器 ,1980年代研制成功量子 阱半导体激光器，1990年代研制成 功GaN基多量子蓝光半导体激光 器 ，现在制造出用于工业应用的高 功率半导体激光器，输出激光功率 可 达 几 万 瓦 。大型激光器输出激 光功率巨大，占地面积也大，可达足 球场那么大，其典型代表是拍瓦激 光器，1996年建在美国利弗莫尔国 家实验室的诺瓦（Nova) 激光装置 是世界上第一台大能量拍瓦激光 装 置 ，输出激光峰值功率 1.3拍 瓦 ， 聚焦后产生的功率密度接近10^21瓦/ 厘米^2。

在 激 光 器 “家 族 ” 中，半导 体 激 光 器 体 积 最 小 ，重 量 也 最 轻 ， 1977年科学家研制成功的垂直腔 面 发 射 半 导 体 激 光 器 （又称微型 半导体激光器 ),整个激光器尺寸是 几 微 米 ，在一平方厘米面积上可以 排 布 100万只激光器。这些激光器 是采用分子外延技术，把半导体材 料一层一层地叠加起来制成的。

激光开创科学新领域

由于激光器的出现，大大扩展 了物理学、化学、生物学等学科的内涵，并诞生了多种新学科，如非线性 光 学 、瞬态光学、强激光物理学、激 光化学、激光生物学等，对高新技术 与交叉学科领域的发展起着重要 的推动作用。

1.激光非线性光学

激光与物质相互作用出现了先 前曾经设想过、但始终未实现的光 学 现 象 ，也出现了先前没有想到的 光学现象。1961年美国的弗兰肯（P. A. Franken) 和他的同事们把红宝 石激光器发出的波长694.3纳米、能 量 3焦 耳 、脉冲宽度 3毫秒的激光脉 冲通过石英晶片时，观察到一种新 现 象 ，在透射光束中除了出现原先 红色的激光外，还观察到了一束新 光 束 ，它的波长为 347.15纳米的紫 外光，其波长刚好是人射波长694.3 纳米的一半（即频率加倍)，他们把 这个现象称为“光倍频”。

此后的一些实验还发现除了发 生频率加倍的光波外，还会发生频 率三倍、四倍和五倍甚至几十倍的 光波。这样一来，利用这个频率变 化 现 象 ，我们便可以借助能量转换 效率比较高的红外激光器，获得紫 外 波 段 ，甚至是X射线波段的相干 光。此后，科学家在利用激光器做 光源进行的光学实验中又先后观 察到另外一些新型光学现象，如光 学 混 频 （两束光频率不同的激光束或者其中一束为普通光源的光束， 它们通过介质时出现频率相加或 者相减的新光束 )、光学自聚焦和自 散 焦 （一定强度的激光束通过介质 时发生会聚或者发散)、光学饱和吸 收 （激光束通过介质时其光学吸收 系数随着激光强度增大而减小)、受 激 光 散 射 （物质在强激光作用下产 生 具 有 激 光 特 性 的 光 散 射 ）、瞬态 相干效应（物质在短脉冲强激光作 用下，在小于物质内部纵向及横向 弛豫时间的时域范围内所发生的光 学现象，诸如光子回波、光学自由感 应衰减、光学章动、自感应透明等)、 光束自陷（短脉冲强激光束进人介 质自聚焦到最小尺寸后，保持细长 丝状在介质中继续传播）等，上述 这些光学新现象基本上是在 1960 年代发现的，它们在使用普通光源 时均未出现过。美国科学家布隆 伯 根 （N. Bloembergen) 对这些新 型光学现象作了严格的理论分析， 并奠定了一门新型光学学科，即非 线性光学的理论基础，他的杰出贡 献赢得了 1981年诺贝尔物理学奖。

2.激光瞬态光学

一些物理变化过程、化学变化 过程和生物变化过程经历的时间 都非常短暂，时间尺度是皮秒量级， 甚至飞秒量级的。比如，视觉系统 中的分子异构化、DNA中碱基对的 光修复及质子传递、化学反应中的 光 解 离 、光合作用功能体中的光物 理过程等，其间经历的时间尺度就 非常短，因此我们往往只知道其变 化开始时刻和结束时刻的物质状 态、物质成分和物质结构，对于其间 产生过什么中间状态和物质成分， 又是怎样一步步到达最终稳定状 态的并不十分了解，若能够准确地 测 量 、了解这些超快过程，将能得 到有关这些过程机制极其丰富的 信 息 ，这 些 信 息 对 物 理 学 、化学和 生命科学的发展十分重要，比如农 作物是靠光合作用过程把太阳光 能量转换成自己生长发育的养分， 它 被 誉 为 “世界上最重要的化学反 应 ”，但整个反应过程经历的时间 大约只有百亿分之一秒。因为其经 历的时间实在太短，即使利用研究瞬态现象的高速摄影技术也无能 为力，于是长期以来都不完全清楚 光合作用的具体过程。科 学 家 说 ， 假如对光合作用过程每一步都了 解 ，就可以找到一些办法控制其中 某一步的行进方向，来提高光合作 用的效率，调节农作物生长发育的 生理过程，改善其对环境条件的适 应能力 ,这是一件非常重要的事情。有了激光技术，现在可以探测记录 各种瞬态过程了。

激 光 技术探测瞬态过程的手 段 主 要 有 ：用 短 脉 冲 激 光 光 束 探 测瞬态变化过程，用时间高分辨率 激 光 光 谱 探 测 瞬 态 变 化 。美国加 州 理 工学院科学家泽维尔（A. H. Zewail) 在 1 9 8 0年 代 末 用 飞 秒 激 光做高速摄影的光源，拍下快速化 学 反 应 过 程 的 “慢镜头”照片，显 示了化学反应的瞬变过程，实现了 减慢时间步伐的梦想，为此他获得 了 1 9 9 9年诺贝尔化学奖。用一个 超短激光脉冲人射到进行测量的 物 质 ，将它们的原子、分子 体 激 发 到指定的能态，或将它们特定的某 种运动变化微观步骤有选择地进 行引发，随后用另一超短脉冲激光 在不同延迟时间之后通过这些物 质 ，“跟 踪 ”探测物质在各瞬间的 吸收光谱信号或者散射光谱信号， 或者发射的荧光光谱信号 ,便可知 道物质在此瞬间所呈现的状态，综 合不同瞬间的光谱资料，便可揭示 物质有关微观过程的动态学规律， 大大丰富了人类对自然世界的认 知。

激光建立极端实验条件

所 谓 极 端条件是指在地球上 用通常手段难以实现的某些物理条 件，如极端低温、极端高压、极端高 温等，在这些极端条件下的物质，其 形态、物态会出现异常的变化。

1.建立极端低温，造出第五、第六态物质

能够获得绝对温标温度 1开以 下超低温方法主要有 3种 ：磁制冷、 稀释制冷和激光制冷。目前磁制冷 技术获得的最低温度是（1~5) x 10^-3 开 ,稀释制冷技术能获得 1.8x 10^ -3开，激光制冷技术能达到 5 x 10^-6开 的极端低温 ,科学家正是借助于激 光制冷技术造出了新物态物质。根 据形态可将物质简单地划分为 6大 类，它们依次是固态、液态、气 态 、等 离子态、玻色-爱因斯坦凝聚态和费 米 子 凝 聚 态 ，其中前面 4 类物态物 质已经很常见，而后面两种需要在 接近绝对零度、同时又避免发生冻 结的低温条件下才会产生，因此直 到激光制冷技术成功产生极端低 温才能办到。1 9 9 9年 ，美国科罗拉 多州美国标准技术研究所的康奈尔 (E. A. Cornell) 和科罗拉尔大学实 验天体物理联合实验室的维曼（C. E. Wieman) 使用激光制冷技术成 功获得铷原子玻色 -爱因斯坦凝聚 态物质，美国麻省理工大学凯特勒 ( W. Ketterle) 成功获得钠原子玻 色 -爱因斯坦凝聚态物质。这三位 科学家在制造新物态物质领域做出 了杰出贡献，共同获得了2001年诺 贝尔物理学奖。2 0 0 4年 1月2 9 日，他 们又宣布，借助激光制冷技术成功 获得了钾原子费米子凝聚态物质， 即创造出第六态物质。

2 .建立超高压、高温条件，研究 核聚合反应

物质在高压下会发生许多有趣 的物理现象。在外来压力作用下 物质的体积收缩，同时其自由能发 生改变 ;物质也会发生结构形态改 变，本来是液态的物质会凝固结晶；非晶态物质的晶化规律可能改变；原为晶体的物质，可能发生晶体结 构或电子结构的变化。在很高的压 力作用下,半导体、绝缘体乃至分子 固体氢可能成为金属态等。利用爆 炸 、强放电和高速运动物体冲击等 产生冲击波 ,在瞬间可产生超高压 力。利用聚能爆炸产生的冲击波目 前可产生 5 x 10^6个 大 气 压 的 压 强 ， 但是它不容易控制 ,而且持续时间 短 ；用机械加压方式挤压物体，使 其因被压缩而产生超高压 ,然而实 际上获得超高压并非易事。利用激 光能够产生很高压强 ,2000年中国 科学院上海光学精密机械研究所 的神光装置n输出的激光在靶面产 生的压强就高达3.7 x10^12帕斯卡，是地球中心压强的1万多倍，在如此极 端高压作用下，原子核之间的距离 可能小到10^-13厘 米 ，此时原子核不 是按通常的同性电荷相排斥性质， 而是转为相互吸引，将会发生核聚 合反应，释放核聚变能。科学家认 为，核聚变能将是人类用之不竭的 能源，而且是清洁、环 保 、安全的能 源。

同样的，物质在超高温条件下 也 会 产 生 种 种 物 理 新 现 象 。大部 分分子在温度10^4开时都会离解成 原子，在温度10^5开时大部分原子都 会发生电离，而原子核在温度10^10开 时大部分会离解成质子和中子。在 地球上的实验室里，高温通常是用 电学加热，或 者 用 化 学 燃 烧 （如火 焰 ）产生的热量而获得。要获得高 的温度，需要使用加热能力很强的 电学或化学手段，而这种能力受物 质本身和加热技术的限制。还有一 个基本困难是，热物质会产生热辐 射 ,而且辐射量随着它的温度呈 4 次方增长。如温度升高1倍 ，热辐射 损失能量增加 16倍 ，所以需要提供 给物体的热能将是巨大的，这必然 制约了能够获得的温度最高值。现 在 ，科学家采用激光技术能够把原 子加热到很高温度，1985年中国科 学院上海光学精密机械研究所的 激 光 12号装置输出的激光束就能 够把物质加热到上千万摄氏度，比 地球中心温度还高万倍，与太阳中 心的温度相当。

激光开创新技术

为 适 应 科学技术和生产技术 的需要，科学家们利用激光的特点 开发了许多新技术，诸如激光光镊 技 术 、激 光 精 密 计 量 测 量 技 术 、激 光 照 排 技 术 、激 光 全 息 照 相 技 术 、 激光信息存贮技术、激光推进技术 等。

1 .激光光镊，生物系统研究精 准手术工具

镊 子 靠 物 体 之 间 的 摩 擦 力 将 物体夹住，以实施各种操纵。利用 激 光 能 够制造出另类镊子—— 光 镊,它是一把无形的镊子，它操纵微 粒不是靠机械力或者物体之间的摩擦力，而 是 靠 激 光 束 形 成 的 “光阱”。

会 聚 的 激 光 束 在 光 束 传 播 方 向上和与之垂直的平面上将形成三 维梯度力—— 光阱 ,落在其中的原 子、微粒将被它捕获，并被囚禁在光 阱中心。移动光阱中心，便可以移 动被捕获的原子、微 粒 ；或 者 说 ，利 用光阱力可以操纵原子、微 粒 。基 于这个原理，1986年美国AT& T贝尔 实验室科学家阿斯金（A. Ashkin) 发明了一种利用一束激光就能够 在空间三维控制微粒运动的装 置—— 光镊。因为光束对原子以及 微粒不会构成机械损伤，所以光镊 操纵是无损伤操作，这是一种十分 珍贵的特性 ,特别是在生物学研究 领域中，可以用于研究单个细胞和 生 物 大 分 子 的 行 为 。比如利用光 镊可以分选生物粒子或细胞，使两 个或多个生物粒子相互密切接触， 便于研究观察它们之间的相互作用 等 ；也可以捕获单个活细胞并在细 胞 内 操 纵 细 胞 器 。利用光镊还能 进行染色体切割与分选、细胞转基 因操纵、微型手术等精细操作，在动 植物基因工程、农产品改良育种等 领 域 有 着 重 要 的 应 用 价 值 。阿斯 金因为发明激光光镊及其在生物 系统中的应用，获得了 2018年诺贝 尔物理学奖。

2 . 测量微尺寸，突破阿贝分辨 率极限

在微观世界中有许多非常微小 的粒子、微 生 物 （诸 如 细 胞 、细 菌 、 病 毒 等 ),我们借助各种电子仪器、 光 学 仪 器 （如光学显微镜、电子显 微 镜 等 ）观测它们，了解它们的运 动状态和结构，并测量它们的细节 尺寸。科学家用一个称为分辨率的物理量衡量这些仪器的观测能力， 分辨率高意味着仪器的观测本领 髙。随着科学的发展，研究诸如细 胞内分子尺度的动态和结构特征、 病毒如何侵犯细胞、药物怎样发挥 作 用 、传递物质怎样从一个神经细 胞到达另一个神经细胞等问题，要 求显微镜分辨率至少达到 100纳米 级别。然而，显微镜的分辨率是存 在极限值的，以光学显微镜来说，其 分辨率大约是照明光波长的一半， 这是 1873年德国阿贝（E. Abbe) 根 据光的衍射效应得到的阿贝分辨 率极限，以波长在可见光波段、波长 为 400~700纳 米 的 光 照 明 时 ，其分 辨率大约为 3 0 0纳 米 ，显然达不到 100纳米要求。现在利用激光技术 就能够突破阿贝分辨率极限了。

美国科学家白兹格（E. Betzig) 基于激光技术，提出了光激活定位 显微镜技术（PALM) 概念，找到了 超越阿贝分辨率极限、提高光学显 微镜分辨率的办法，并发明了一种 超越阿贝分辨率极限的光学显微 镜。他用低强度、波长405纳米的激 光照射带有荧光蛋白的生物样品， 通过调节 4 0 5纳米激光能量，使一 次仅激活出在视野下稀疏分布的几 个荧光分子 ,通过高斯拟合来精确 定位这些荧光单分子。在确定这 些 分 子 的 位 置 后 ，再使用波长 488 纳米激光照射它们 ,漂白这些已经 定位的荧光分子，使它们不会被下 一轮的激光照射再激活发射荧光。之后再分别用波长 4 0 5纳米和 488 纳米激光激活和漂白其他荧光分 子，如此循环这样的激活-漂白操作 多次后，生物样品中所有荧光分子 都被作了精确定位 ,然后将这些荧 光分子的图像合成到一张图片上， 就得到一张整个生物样品的纳米 量级分辨率图像，突破了阿贝分辨 率极限。白兹格因为在超越阿贝分 辨率极限的显微镜方面做出了杰出 贡 献 ，获得了 2014年度诺贝尔化学 奖。

3 . 激光照排印刷，汉字印刷第 二次技术革命

人类从幼儿时就开始接触书 和报纸，从中获得科学技术和文化 知识。因此，印刷出版物的品种和 数量，在一定意义上是一个国家或 者一个时代科学文化繁荣的重要 标志之一。传统的图书报纸是用铅 字印刷，工人需先用火熔化金属铅， 然后再铸成一个个铅字按文稿顺 序排版，因此这种印刷技术离不开 “铅”与 “火”,它不仅能源消耗大、劳动强度高，还存在环境污染，影响身体健康，而且工作效率低，一本书 的出版周期长。1978年 8月，北京大学王选教授利用激光技术和电子 技术成功地研制出“华光型计算机 激光汉字编辑排版系统”，它把每 一个汉字编成特定的编码存储到计算机 ，输出时用激光束直接扫描 成字 ,革新了传统印刷工艺。从此 汉字告别铅字印刷 ,进人汉字印刷 技术新历史时期。让汉字文明、印刷技术跟上了世界信息化、网络化 的步伐。

汉字激光照排的工作效率高、 版面灵活、字库齐全，成为出版印刷 行业技术中的主力军。使用汉字激光照排系统不但消除了铅毒污染、 降低了能耗，而且图书出版周期大幅缩短。

激光开创未来

地球正面临生态环境恶化，各种资源包括粮食、饮用水 、矿产、能源等短缺的挑战，同时还会遭遇小行星碰撞地球的威胁。科学家认为，借助激光技术，能够协助人类更好地监测和治理环境污染 ,探测和 开发利用太空资源、海洋资源、信息资源和食物资源等 ,激光技术也是防御小行星碰撞地球的重要手段之 一。科学家已经在研究借助现有的航天技术和海洋技术，利用激光高分辨率 、高灵敏度分析技术探测太空和海洋资源的种类、品质和分布， 并研究以激光推进动力的激光飞船 ，有 望将人类快速 、安全地送达各个星球，就像在地球上往来于各个城市那样便利，实现广泛开采利用太空矿产资源的愿景。