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(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(xué)院的李儒新院士

了解一下激光和它背后的故事

李儒新

中國科學(xué)院院士

中國光學(xué)學(xué)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(xué)院上海光學(xué)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(xué)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(fù)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(dǎo)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(dāng)時是我們國家負(fù)責(zé)科技方面的最高領(lǐng)導(dǎo)人，他向毛主席匯報了激光的研究和應(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(dāng)時并沒有激光這兩個詞，激光這兩個詞是1964年，后面由錢學(xué)森提出的建議名字，當(dāng)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(zhǔn)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(xué)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(xué)反應(yīng)過程，當(dāng)我們彎曲熒光棒的時候，就會引起其中的一些化學(xué)反應(yīng)，那么這個化學(xué)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(dá)到上述目標(biāo)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(fù)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(dǎo)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(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(yù)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(dá)到的亮度或者說功率密度，即單位面積上的功率，達(dá)到了10 22~1023這么高的量級。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(dá)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(xué)，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(xué)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(dāng)光強足夠高的時候，能夠驗證真空的量子電動力學(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(dāng)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(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(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)生他寫信過來說，當(dāng)他看到了這些非常美妙的這些跟光有關(guān)的諾貝爾獎的故事之后，他就萌發(fā)了將來一定要學(xué)習(xí)光學(xué)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！