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激光誕生60周年 中國科學院院士李儒新帶你走進激光世界

來源:上海光機所2020-05-28 我要評論(0 )   

作者: 上海光機所60年前,人類有了第一束激光它不僅在軍事上有很重要的應(yīng)用而且工業(yè)上可用于汽車鋼板的切割醫(yī)學上可用于做激光手術(shù)通信上可以加快信息的傳遞生活上可帶...

作者: 上海光機所

60年前,人類有了第一束激光

它不僅在軍事上有很重要的應(yīng)用

而且工業(yè)上可用于汽車鋼板的切割

醫(yī)學上可用于做激光手術(shù)

通信上可以加快信息的傳遞

生活上可帶來豐富多彩的激光表演

......

一束小小的激光竟然有如此多的功能

今天我們就跟隨中國科學院的李儒新院士

了解一下激光和它背后的故事

李儒新

中國科學院院士

中國光學學會副理事長

(以下為李儒新院士演講實錄)

大家好!我是李儒新,來自中國科學院上海光學精密機械研究所,60年前的5月16號,人類有了第一束激光,所以今天我就跟大家聊一聊激光的那些事情。

60年前美國工程師梅曼發(fā)明了人類的第一臺激光器,中國的第一臺激光器比美國的第一臺激光器晚了一年多,是由中國科學家王之江院士,和他的團隊在1961年在長春發(fā)明的,大家可以看到,這個就是我們國家第一臺激光器的復制品,兩邊是激光器的最基本的一個單元的組成,就是它的兩塊反射鏡構(gòu)成諧振腔,激光器的發(fā)明以及它所展示出來的強大的應(yīng)用前景,很快就引起了黨和國家領(lǐng)導人的高度重視。

1963年12月16號,毛主席聽取了聶榮臻副總理,聶榮臻副總理當時是我們國家負責科技方面的最高領(lǐng)導人,他向毛主席匯報了激光的研究和應(yīng)用的一些進展情況。毛主席就有一個即時講話,在1963年12月16日,所以這是我們中國的激光發(fā)展史上值得記住的一個重要的一天。

毛主席說死光,因為當時并沒有激光這兩個詞,激光這兩個詞是1964年,后面由錢學森提出的建議名字,當時因為只有英文LASER,所以我們國家把它叫死光,毛主席說死光要有一小批人專門去研究它,吃不了飯不干別的,專門研究它。


激光它的英文叫LASER,LASER實際上是受激輻射光放大的英文這幾個詞的縮寫。那么我們現(xiàn)在把它稱為激光,它是有內(nèi)涵的。而我們的臺灣同胞就直接把英文的LASER翻譯成鐳射,所以它是一個音譯。因此現(xiàn)在我們大陸用的激光翻譯它是個意譯,它是比較準確的把激光的工作原理的基本的內(nèi)涵給它點明了,它是個受激輻射的光放大過程。


激光技術(shù)的發(fā)明在這過去的60多年來,給人類的生產(chǎn)生活帶來了巨大的變化,它有很多方面的應(yīng)用。給大家舉一些例子,比如說最早的名稱叫死光,是因為它可能在軍事上有很重要的應(yīng)用,在工業(yè)生產(chǎn)上面,它可以用于汽車鋼板的切割,醫(yī)學上可以用來做激光手術(shù),在切割的時候同時就能止血,它比手術(shù)刀的功能還多了一點。另外在通信領(lǐng)域它現(xiàn)在是發(fā)揮了巨大的作用,我們之所以能夠互聯(lián)網(wǎng)上面沖浪有快速的信息的傳遞的容量,就是因為用了激光作為信息的載體。另外在生活的很多方面,比如說它可以用來做激光表演,激光音樂、激光電視等等,都為我們的生活增加了很多樂趣。


這是因為激光不同于其他光源,它具有單色性、相干性、方向性和很高的亮度,能夠把這些特性結(jié)合在一起的光源就只有激光。

我先給大家講一講我們家里常用的燈泡,白熾燈的發(fā)光原理,白熾燈發(fā)光原理就是電流通過鎢絲,變?yōu)榧訜岬逆u絲,鎢絲溫度升高,它就發(fā)出光。所以大家有時候看到快要壞掉的燈泡,眼睛可以看到鎢絲里面變紅的過程,然后它就斷掉了。

那么我們?nèi)艘驗轶w溫是37(攝氏)度,我們也可以發(fā)出光,但是37(攝氏)度發(fā)出的光,波長我們看不見光,它的波長是在10微米左右,所以白熾燈的發(fā)光原理是跟溫度有關(guān)的,這是一種光源。

我們再來看一看,現(xiàn)在家里大家都也是很普遍的使用的節(jié)能燈,它是一種熒光燈的原理,它的基本原理是電流通過電離里面的氣體,(釋放的紫外線)去轟擊管壁上鍍的白色的熒光粉就會發(fā)出光,效率會比剛才的加熱鎢絲發(fā)出的光的從電到光的轉(zhuǎn)換效率會更高,所以它就更節(jié)約能量,大家就把它叫做節(jié)能燈。

還有一種光源,大家就是去參加音樂會,看體育表演中經(jīng)常要做拉拉隊所使用的熒光棒,熒光棒的發(fā)光的原理,跟剛才的節(jié)能燈有類似的地方,都是由熒光的一種發(fā)光的這種原理。但是在熒光棒里是一個化學反應(yīng)過程,當我們彎曲熒光棒的時候,就會引起其中的一些化學反應(yīng),那么這個化學反應(yīng)就會使熒光分子的能級從低能跳到激發(fā)態(tài)高能級,那么在高能級的熒光分子,它會在一定時間里面會自動會跳回它的基態(tài)。在熒光分子的跳躍過程中,它也會發(fā)出光。所以這是我們大家平常常見的幾種光源的發(fā)光原理。


要想獲得單色性和方向性非常好的激光,我們就需要在激光腔里面的工作介質(zhì)紅寶石和激光腔兩端的腔鏡的幫助。在這臺中國第一臺激光器里面,要達到上述目標的話,大家可以看到我們希望的兩個腔鏡之間要非常的平行,它們端面和端面之間的不同位置的誤差不能超過200個納米。那么在諧振腔里面就發(fā)生了兩件事情:第一,任何與軸線不平行的光線,最終都會從圓柱體的側(cè)面出來;第二,只有平行于軸線的這些光線能夠不斷的反射變得越來越強。軸向端產(chǎn)生駐波,這就意味著只有特定的波長可以在腔里面存在,可以來回的反射。所以激光腔可以正確的選擇波長,可以獲得接近于單色光的波長的這樣一個激光的特性。

激光器大家看上去好像比較復雜,實際上它就只有三個要素:一是我剛才給大家提到的它要有個工作介質(zhì),我們第一臺激光器里面它就是紅寶石;另外它要有一個腔鏡構(gòu)成諧振腔,那么這里就是兩塊鍍銀的反射鏡;還有一個重要的要素,它的能量從哪來?我們要有一個閃光燈,把能量交給工作介質(zhì)。這就是激光的三要素。工作介質(zhì)、諧振腔,和能量來源,我們一般把它稱為泵浦源,激光的三要素中的工作介質(zhì)對我們中國的第一臺激光器來說,工作介質(zhì)就是紅寶石,那么美國人梅曼發(fā)明的第一臺激光器的工作介質(zhì)也是紅寶石。60年過去了,現(xiàn)在出現(xiàn)了多種多樣的激光器,工作介質(zhì)五花八門,有固體的、氣體的、電子的、半導體的都有,比如說大家很常見的激光筆,它的工作介質(zhì)就是半導體,所以現(xiàn)在有多種多樣的激光的工作介質(zhì)。


我們剛才已經(jīng)簡單的聊了聊激光器在過去60年代發(fā)明的過程、它的特性和它的一些應(yīng)用,那么大家可以來預測一下,未來激光器還有可能給我們?nèi)祟惿a(chǎn)生活帶來什么新的可能性。我們就來從它的一個特點開始說起。

剛才講到激光的特性之一是高亮度,那么激光的亮度可比太陽光亮多了。比如說現(xiàn)在在上海浦東建設(shè)的羲和激光,那么如果用一個放大鏡把羲和激光1016W的激光聚焦,聚焦以后達到的亮度或者說功率密度,即單位面積上的功率,達到了10 22~1023這么高的量級。在這樣一個亮度下面,我們的物質(zhì)世界就會發(fā)生巨大的變化,材料的特性就發(fā)生變化。

我們更往前設(shè)想一點,如果強度繼續(xù)提高,比如說我們現(xiàn)在設(shè)想,如果能夠把強度和聚焦的功率密度再提高1~2個數(shù)量級,到達1023或者1024W/cm2。在這樣的光場下,就有可能把真空變成有東西,形象的說,我們就假設(shè)真空里面沒東西,但是激光足夠強了以后,就像一個照妖鏡一樣能夠照出里面的妖怪,里面妖怪是什么?根據(jù)量子電動力學,真空里面,實際上是一個能夠把正物質(zhì)-反物質(zhì)(粒子對)激發(fā)出來這么一個基本的狀態(tài)。真空不是空的,它是按經(jīng)典的這樣一個物理的描述它是空的,但是在量子力學里面,真空里面是會不斷的會產(chǎn)生正物質(zhì)和反物質(zhì),所以我們就希望當光強足夠高的時候,能夠驗證真空的量子電動力學效應(yīng)。

阿秒是什么概念?阿秒是10-18秒,所以有朝一日我們能夠做出阿秒的激光,實現(xiàn)超快的顯微鏡或者加上閃光燈,就能夠看清楚原子這種尺度里面的這么快的過程,所以這也是人類的夢想之一。

當然激光器還有很多其他的應(yīng)用價值,比如說很多的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的測量,比如說對病毒的結(jié)構(gòu)的測量,我們現(xiàn)在都是測量它的穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。那么它的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的測量,如果變成能夠拍電影的話,我們就可以看到,比如說在用藥物去治療,去殺傷殺滅病毒的過程中,我們是怎么看到藥物的分子跟蛋白質(zhì)的病毒的蛋白質(zhì)分子之間是怎么結(jié)合的?我們也希望將來有朝一日用激光作為一種手段,能夠把這個過程全部把它探測出來,這樣就為研發(fā)對抗病毒,提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。所以這些在生命科學和在物理學,還有化學,還有材料科學方面有很多應(yīng)用,都是未來的幾年里面或者幾十年里面都會出現(xiàn),我們就期待著這一天的早日到來。

在要結(jié)束跟大家的聊天之前,我也想給大家提一點希望。今年是2020年,5年前的2015年聯(lián)合國把2015年就確定為國際光年,國際光年的那一年,我們做了一件事情,拍攝了跟激光有關(guān)的諾貝爾獎的視頻,拍成了每個諾貝爾獎的小故事,大概拍成了三分鐘的視頻,做成動畫,把諾獎的基本的原理把它做成動畫展示給大。

我們非常高興的是發(fā)現(xiàn),當我們把這些視頻放到網(wǎng)上去以后,有很多小朋友們就受到了啟發(fā)。我印象很深刻的是其中有一位中學生他寫信過來說,當他看到了這些非常美妙的這些跟光有關(guān)的諾貝爾獎的故事之后,他就萌發(fā)了將來一定要學習光學這樣一個愿望。所以我想跟大家交流的這些激光有關(guān)的基本原理也好,或它的應(yīng)用也好,最后落腳點還落到能夠給我們的生活帶來更多改善和提高,也就是我們曾經(jīng)有一個口號,就是激光讓生活更美好,希望大家一起努力做到這一點。謝謝大家!


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激光中國科學院院士李儒新激光
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