作者: 上海光機(jī)所

60年前，人類(lèi)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(chē)鋼板的切割

醫(yī)學(xué)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(lái)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(guó)科學(xué)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(guó)科學(xué)院院士

中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)

（以下為李儒新院士演講實(shí)錄）

大家好！我是李儒新，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，60年前的5月16號(hào)，人類(lèi)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(guó)工程師梅曼發(fā)明了人類(lèi)的第一臺(tái)激光器，中國(guó)的第一臺(tái)激光器比美國(guó)的第一臺(tái)激光器晚了一年多，是由中國(guó)科學(xué)家王之江院士，和他的團(tuán)隊(duì)在1961年在長(zhǎng)春發(fā)明的，大家可以看到，這個(gè)就是我們國(guó)家第一臺(tái)激光器的復(fù)制品，兩邊是激光器的最基本的一個(gè)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(lái)的強(qiáng)大的應(yīng)用前景，很快就引起了黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的高度重視。

1963年12月16號(hào)，毛主席聽(tīng)取了聶榮臻副總理，聶榮臻副總理當(dāng)時(shí)是我們國(guó)家負(fù)責(zé)科技方面的最高領(lǐng)導(dǎo)人，他向毛主席匯報(bào)了激光的研究和應(yīng)用的一些進(jìn)展情況。毛主席就有一個(gè)即時(shí)講話，在1963年12月16日，所以這是我們中國(guó)的激光發(fā)展史上值得記住的一個(gè)重要的一天。

毛主席說(shuō)死光，因?yàn)楫?dāng)時(shí)并沒(méi)有激光這兩個(gè)詞，激光這兩個(gè)詞是1964年，后面由錢(qián)學(xué)森提出的建議名字，當(dāng)時(shí)因?yàn)橹挥杏⑽腖ASER，所以我們國(guó)家把它叫死光，毛主席說(shuō)死光要有一小批人專門(mén)去研究它，吃不了飯不干別的，專門(mén)研究它。

激光它的英文叫LASER，LASER實(shí)際上是受激輻射光放大的英文這幾個(gè)詞的縮寫(xiě)。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(tái)灣同胞就直接把英文的LASER翻譯成鐳射，所以它是一個(gè)音譯。因此現(xiàn)在我們大陸用的激光翻譯它是個(gè)意譯，它是比較準(zhǔn)確的把激光的工作原理的基本的內(nèi)涵給它點(diǎn)明了，它是個(gè)受激輻射的光放大過(guò)程。

激光技術(shù)的發(fā)明在這過(guò)去的60多年來(lái)，給人類(lèi)的生產(chǎn)生活帶來(lái)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(shuō)最早的名稱叫死光，是因?yàn)樗赡茉谲娛律嫌泻苤匾膽?yīng)用，在工業(yè)生產(chǎn)上面，它可以用于汽車(chē)鋼板的切割，醫(yī)學(xué)上可以用來(lái)做激光手術(shù)，在切割的時(shí)候同時(shí)就能止血，它比手術(shù)刀的功能還多了一點(diǎn)。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?yàn)橛昧思す庾鳛樾畔⒌妮d體。另外在生活的很多方面，比如說(shuō)它可以用來(lái)做激光表演，激光音樂(lè)、激光電視等等，都為我們的生活增加了很多樂(lè)趣。

這是因?yàn)榧す獠煌谄渌庠?，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(guò)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(shí)候看到快要壞掉的燈泡，眼睛可以看到鎢絲里面變紅的過(guò)程，然后它就斷掉了。

那么我們?nèi)艘驗(yàn)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(zhǎng)我們看不見(jiàn)光，它的波長(zhǎng)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?cè)賮?lái)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(guò)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(huì)發(fā)出光，效率會(huì)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(huì)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(lè)會(huì)，看體育表演中經(jīng)常要做拉拉隊(duì)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(lèi)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(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，當(dāng)我們彎曲熒光棒的時(shí)候，就會(huì)引起其中的一些化學(xué)反應(yīng)，那么這個(gè)化學(xué)反應(yīng)就會(huì)使熒光分子的能級(jí)從低能跳到激發(fā)態(tài)高能級(jí)，那么在高能級(jí)的熒光分子，它會(huì)在一定時(shí)間里面會(huì)自動(dòng)會(huì)跳回它的基態(tài)。在熒光分子的跳躍過(guò)程中，它也會(huì)發(fā)出光。所以這是我們大家平常常見(jiàn)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(tái)中國(guó)第一臺(tái)激光器里面，要達(dá)到上述目標(biāo)的話，大家可以看到我們希望的兩個(gè)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(guò)200個(gè)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(huì)從圓柱體的側(cè)面出來(lái)；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(lái)越強(qiáng)。軸向端產(chǎn)生駐波，這就意味著只有特定的波長(zhǎng)可以在腔里面存在，可以來(lái)回的反射。所以激光腔可以正確的選擇波長(zhǎng)，可以獲得接近于單色光的波長(zhǎng)的這樣一個(gè)激光的特性。

激光器大家看上去好像比較復(fù)雜，實(shí)際上它就只有三個(gè)要素：一是我剛才給大家提到的它要有個(gè)工作介質(zhì)，我們第一臺(tái)激光器里面它就是紅寶石；另外它要有一個(gè)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(gè)重要的要素，它的能量從哪來(lái)？我們要有一個(gè)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(lái)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(duì)我們中國(guó)的第一臺(tái)激光器來(lái)說(shuō)，工作介質(zhì)就是紅寶石，那么美國(guó)人梅曼發(fā)明的第一臺(tái)激光器的工作介質(zhì)也是紅寶石。60年過(guò)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(mén)，有固體的、氣體的、電子的、半導(dǎo)體的都有，比如說(shuō)大家很常見(jiàn)的激光筆，它的工作介質(zhì)就是半導(dǎo)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(jiǎn)單的聊了聊激光器在過(guò)去60年代發(fā)明的過(guò)程、它的特性和它的一些應(yīng)用，那么大家可以來(lái)預(yù)測(cè)一下，未來(lái)激光器還有可能給我們?nèi)祟?lèi)生產(chǎn)生活帶來(lái)什么新的可能性。我們就來(lái)從它的一個(gè)特點(diǎn)開(kāi)始說(shuō)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(yáng)光亮多了。比如說(shuō)現(xiàn)在在上海浦東建設(shè)的羲和激光，那么如果用一個(gè)放大鏡把羲和激光1016W的激光聚焦，聚焦以后達(dá)到的亮度或者說(shuō)功率密度，即單位面積上的功率，達(dá)到了10 22~1023這么高的量級(jí)。在這樣一個(gè)亮度下面，我們的物質(zhì)世界就會(huì)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(diǎn)，如果強(qiáng)度繼續(xù)提高，比如說(shuō)我們現(xiàn)在設(shè)想，如果能夠把強(qiáng)度和聚焦的功率密度再提高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，到達(dá)1023或者1024W/cm2。在這樣的光場(chǎng)下，就有可能把真空變成有東西，形象的說(shuō)，我們就假設(shè)真空里面沒(méi)東西，但是激光足夠強(qiáng)了以后，就像一個(gè)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(dòng)力學(xué)，真空里面，實(shí)際上是一個(gè)能夠把正物質(zhì)-反物質(zhì)（粒子對(duì)）激發(fā)出來(lái)這么一個(gè)基本的狀態(tài)。真空不是空的，它是按經(jīng)典的這樣一個(gè)物理的描述它是空的，但是在量子力學(xué)里面，真空里面是會(huì)不斷的會(huì)產(chǎn)生正物質(zhì)和反物質(zhì)，所以我們就希望當(dāng)光強(qiáng)足夠高的時(shí)候，能夠驗(yàn)證真空的量子電動(dòng)力學(xué)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(shí)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(guò)程，所以這也是人類(lèi)的夢(mèng)想之一。

當(dāng)然激光器還有很多其他的應(yīng)用價(jià)值，比如說(shuō)很多的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的測(cè)量，比如說(shuō)對(duì)病毒的結(jié)構(gòu)的測(cè)量，我們現(xiàn)在都是測(cè)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(cè)量，如果變成能夠拍電影的話，我們就可以看到，比如說(shuō)在用藥物去治療，去殺傷殺滅病毒的過(guò)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(lái)有朝一日用激光作為一種手段，能夠把這個(gè)過(guò)程全部把它探測(cè)出來(lái)，這樣就為研發(fā)對(duì)抗病毒，提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。所以這些在生命科學(xué)和在物理學(xué)，還有化學(xué)，還有材料科學(xué)方面有很多應(yīng)用，都是未來(lái)的幾年里面或者幾十年里面都會(huì)出現(xiàn)，我們就期待著這一天的早日到來(lái)。

在要結(jié)束跟大家的聊天之前，我也想給大家提一點(diǎn)希望。今年是2020年，5年前的2015年聯(lián)合國(guó)把2015年就確定為國(guó)際光年，國(guó)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(jiǎng)的視頻，拍成了每個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)的小故事，大概拍成了三分鐘的視頻，做成動(dòng)畫(huà)，把諾獎(jiǎng)的基本的原理把它做成動(dòng)畫(huà)展示給大。

我們非常高興的是發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(xué)生他寫(xiě)信過(guò)來(lái)說(shuō)，當(dāng)他看到了這些非常美妙的這些跟光有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)的故事之后，他就萌發(fā)了將來(lái)一定要學(xué)習(xí)光學(xué)這樣一個(gè)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(diǎn)還落到能夠給我們的生活帶來(lái)更多改善和提高，也就是我們?cè)?jīng)有一個(gè)口號(hào)，就是激光讓生活更美好，希望大家一起努力做到這一點(diǎn)。謝謝大家！