六十年前的1960年5月16日，美國年輕的物理學(xué)家梅曼成功研制了人類歷史上第一臺(tái)激光器——紅寶石激光器，它能產(chǎn)生頻率單一、方向高度集中的光。它是20世紀(jì)能夠與原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)齊名的四項(xiàng)重大發(fā)明之一，對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

　　為了紀(jì)念這一重大的歷史事件，2018年聯(lián)合國教科文組織宣布：將激光的誕生日，即每年的5月16日定為“國際光日”。

國際光日（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　神奇的激光

　　激光是什么？它為何具有如此重要的地位？

　　激光是利用某些物質(zhì)原子中的粒子受激發(fā)而發(fā)出的光，它與普通的光有所不同，其輻射出的光波具有相同的位相、頻率和振動(dòng)方向。激光的英文名稱叫“Laser”，是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 每個(gè)單詞首個(gè)字母的縮寫，如用中文加以解釋，就是“受激輻射的光放大”， 這實(shí)際上也反映了激光器的工作原理。

　　激光有別于普通光源，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先，激光方向性好，能量高度集中。普通光源發(fā)出的光是發(fā)散的，面向四面八方，而激光的發(fā)散角極小。據(jù)稱，人類曾在20世紀(jì)60年代使用過激光來照射月球（月球上的反光鏡是美國登月時(shí)留下的）并返回地球，結(jié)果在月球表面上顯示的光斑方圓不到2千米。另外，正因?yàn)榧す獍l(fā)出的光子能集中在一個(gè)極小的空間內(nèi)，所以能量密度極大，故強(qiáng)激光甚至可以產(chǎn)生上億攝氏度的高溫。

　　其次，激光單色性好。普通光源發(fā)出的光波長范圍很寬，它不是真正意義上的單色光。而激光則不同，因?yàn)樗鞘芗ぽ椛涞墓夥糯?，因此它所發(fā)出的所有光子與外界激發(fā)它的光子是一模一樣的，故激光的波長范圍很窄。

激光的顏色純（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　最后，激光的相干性好。普通光源發(fā)光機(jī)理是自發(fā)輻射，不同原子產(chǎn)生的自發(fā)輻射光在頻率、偏振方向及傳播方向等方面都不相同，且雜亂無章；而激光則不同，它的工作機(jī)理是受激輻射，因此所有光子與外界激發(fā)它的光子無論在頻率，還是偏振方向和傳播方向上都是相同的。

激光的相干性好（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　所以，激光的相干性很好，當(dāng)用于光的干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，則很容易觀測(cè)到干涉條紋，例如2016年探測(cè)到引力波的試驗(yàn)裝置使用了邁克爾遜干涉儀，它所采用的光源就是激光。

　　“激光”的中文名來自錢學(xué)森

　　那么又是誰把激光器的英文名稱叫“Laser”的呢？

　　他的名字叫戈登·古爾德（Gordon  Gould ）。古爾德在第二次世界大戰(zhàn)快結(jié)束時(shí)畢業(yè)于名校耶魯大學(xué)，并獲得光學(xué)和光譜學(xué)碩士學(xué)位，隨后就去參加了制造原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”。

　　1949年古爾德進(jìn)入哥倫比亞大學(xué)攻讀博士學(xué)位，他的導(dǎo)師庫施（Kusch）很厲害，他曾因測(cè)量電子的反常磁矩而和蘭姆共享1955年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

20世紀(jì)50年代，戈登·古爾德（左）在做微波激光實(shí)驗(yàn)。（圖片來源：ESVA/AIP/SPL）

　　古爾德博士論文的題目是關(guān)于鉈的光抽運(yùn)實(shí)驗(yàn)來研制微波激射器（Maser），于是他就和發(fā)明Maser的同校教授查爾斯·哈德·湯斯交談過多次，共同的興趣使他們走到了一起。古爾德做夢(mèng)都想成為一名發(fā)明家，于是他主動(dòng)放棄了博士學(xué)位，加入到了一家小公司，他試圖說服這家小公司研制激光器（實(shí)現(xiàn)比微波波長更短的范圍內(nèi)的光放大），這家小公司一方面用古爾德的方案去向軍方申請(qǐng)專利，另一方面用他的方案去向軍方申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)30萬美元。

　　有了經(jīng)費(fèi)以后，古爾德就開始了激光器的研制。他把自己關(guān)在寓所里，苦思冥想激光器的研制問題，最終認(rèn)識(shí)到必須要用法布里-珀羅諧振腔才能產(chǎn)生相干光。他對(duì)諧振腔也進(jìn)行了理論推算。雖然沒有湯斯和肖洛的理論嚴(yán)謹(jǐn)，但思路卻更廣。

　　于是他把整理出來的東西抄在實(shí)驗(yàn)室用的筆記本上，標(biāo)題就是“Laser（Light  Amplification by  Stimulated  Emission of  Radiation）”，  然后他跑到一家煙雜店，請(qǐng)店主作公證：在裝訂好的九頁紙上簽名蓋章，古爾德自己也在上面簽了字。作為報(bào)答古爾德還在此店買了一條香煙。

　　1958年，在一次學(xué)術(shù)會(huì)議上，古爾德亮出他在1957年的筆記本上的標(biāo)題：Laser。這引起了會(huì)議主席阿瑟·肖洛的反對(duì)，但大多數(shù)與會(huì)者認(rèn)為湯斯和肖洛的“光學(xué)Maser”叫法別扭，并且不符合邏輯，怎么既有光學(xué)又有微波？于是把這種器件叫做“Laser”，這就是英文“Laser”形成的由來。

　　“激光”這個(gè)中文名詞，不是譯音，也不是外來語，在我國造出第一臺(tái)激光器之后的頭幾年，也沒有這個(gè)詞，當(dāng)時(shí)人們把 “Laser” 稱之為“量子放大器”“萊塞”“光受激發(fā)射”等等，但大家都感到很繞口。

　　1964年10月，中國科學(xué)院長春光機(jī)所主辦的《光受激發(fā)射情報(bào)》（其前身為《光量子放大?？罚╇s志編輯部致信我國著名科學(xué)家錢學(xué)森，請(qǐng)他為Laser這種新光源取一個(gè)中文名字。錢學(xué)森教授很快便回信并建議：“光受激發(fā)射這個(gè)名詞似乎太長，讀起來費(fèi)事，能不能改稱為激光？”

錢學(xué)森資料圖（圖片來源：視覺中國）

　　同年12月，上海召開第三屆光量子放大器學(xué)術(shù)會(huì)議，這次會(huì)議由著名科學(xué)家嚴(yán)濟(jì)慈主持，會(huì)上討論了激光器的取名問題，正式采納了錢學(xué)森的建議，將“通過輻射受激發(fā)射的光放大”的英文縮寫Laser正式翻譯為“激光”。隨后，《光受激發(fā)射情報(bào)》雜志也改名為《激光情報(bào)》。此后，便有了“激光”這一名詞。

　　中國大陸以外的華人世界，有把“Laser”翻譯成“鐳射”的，音是近了，但卻使人誤解與放射性鐳有關(guān)。

　　“最亮的光”“最快的刀”和“最準(zhǔn)的尺”

　　自1960年激光器發(fā)明后，激光因其亮度極高、能量極大、顏色極純和方向性好這四大特性，在日常生活中，比如照明、切割、醫(yī)療、軍事上得到了廣泛的應(yīng)用，被人們譽(yù)為“最亮的光”“最快的刀”和“最準(zhǔn)的尺”，成為20世紀(jì)具有標(biāo)志性意義的技術(shù)進(jìn)步之一。

（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　激光最大的用途可以說是運(yùn)用于光纖通信了。大家知道，人類要想實(shí)現(xiàn)光通信，必須解決兩個(gè)難題：一是要有一個(gè)好的符合要求的光源，二是要有一個(gè)穩(wěn)定又理想的傳輸介質(zhì)。梅曼發(fā)明激光器之后，一種新的光源——激光就誕生了。由于這種光源具有良好的特性，亮度高、方向性好、單色性好，可以用來作為光通信的載波，這在很大程度上解決了過去很長時(shí)間里一直困擾研究人員的光源問題，使得長期停滯不前的光通信揭開了新的一頁。

　　光纖通信是指攜帶信息的光波（通常是激光），以光導(dǎo)纖維為傳輸媒質(zhì)的光通信。光纖通信具有許多特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在“大”“好”“省”“長”“遠(yuǎn)”等方面?！按蟆奔赐ㄐ诺娜萘看?，從理論上講，利用只有頭發(fā)絲細(xì)的一對(duì)光導(dǎo)纖維可以同時(shí)傳送20億路電話和1000套電視節(jié)目。“好”即通信質(zhì)量好，保密性能好，在光導(dǎo)纖維中傳播的光既不向外漏泄，也不發(fā)生干擾?！笆　蹦芄?jié)省大量昂貴和稀缺的有色金屬，光纖是由天然石英經(jīng)過高度提純后拉制而成，成本低廉?！伴L”即使用壽命比較長，光纖線路典型壽命是25年，比衛(wèi)星壽命還長?！斑h(yuǎn)”即直通距離遠(yuǎn)，光波在光導(dǎo)纖維中傳輸，能量衰減較小，而沒有中繼器的直達(dá)通信距離僅為10公里以上。                        

　　激光還可以運(yùn)用于測(cè)量領(lǐng)域。測(cè)量是一項(xiàng)極其重要的活動(dòng)，能測(cè)到更細(xì)微的領(lǐng)域，也就能發(fā)現(xiàn)新的世界。

中國科學(xué)院實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首次月球激光測(cè)距（圖片來源：中科院云南天文臺(tái)）

　　我們可以利用X射線激光來揭開蛋白質(zhì)的神秘面紗。通過X射線衍射法可間接地研究蛋白質(zhì)晶體的空間結(jié)構(gòu)，幫助人們從原子的水平上了解物質(zhì)。             

　　2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，美國物理學(xué)家阿瑟·阿斯金（Arthur  Ashkin），他的成就就是光學(xué)鑷子在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用。有了光學(xué)鑷子，我們就有了更好的測(cè)量工具，在不接觸被測(cè)物體的情況下，可以三維立體地觀察極細(xì)微的物體，這些物體可以是沒有生命的分子，也可以是構(gòu)成生命基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)和DNA。依靠這項(xiàng)技術(shù)，我們可以更加深入地揭開生命的奧秘。

　　利用激光方向性好的特點(diǎn)，我們可以把激光運(yùn)用于醫(yī)療。激光手術(shù)以激光代替?zhèn)鹘y(tǒng)手術(shù)器械，對(duì)生物組織采用分離、切除、焊接、打孔等手段來去除病灶，吻合組織、血管、神經(jīng)等。由于激光是聚焦非常精準(zhǔn)的高能量單色光束，因此激光手術(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，比如對(duì)周圍正常組織損傷很小，并且止血快，止血效果好，甚至有望達(dá)到手術(shù)中極少出血或無出血的效果。手術(shù)后，傷口愈合快。

激光手術(shù)（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的另一半獲獎(jiǎng)?wù)邉t是熱拉爾和唐娜，兩位科學(xué)家提出了制造高強(qiáng)度、超短波脈沖激光的方法，即他們制造出了超強(qiáng)脈沖激光。通過這種超強(qiáng)度脈沖激光，我們可以把它用于眼科改善近視的治療，用這種超短波激光做手術(shù)好處很大。

　　未來，激光還可以用于驗(yàn)證真空的量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。按照經(jīng)典的物理描述，真空通常被認(rèn)為是一個(gè)完全空白的空間，但是根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)的原理，實(shí)際上真空中充滿了不斷出現(xiàn)又不斷消失的虛粒子。它能不斷地產(chǎn)生正物質(zhì)和反物質(zhì)，真空不是空的。利用超高強(qiáng)度的激光，我們可以開啟對(duì)真空的探索之旅，在超強(qiáng)激光的光場(chǎng)作用下，真空變成了有東西存在的空間，因此通過激光可以來驗(yàn)證真空的量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。當(dāng)然前提必須要有一個(gè)超高強(qiáng)度的激光器。

　　激光應(yīng)用：飛入尋常百姓家 

　　激光走進(jìn)了人們的日常生活，同時(shí)也加速了人類社會(huì)前進(jìn)的步伐。除了軍事應(yīng)用，激光也有望在人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦邪缪莞又匾慕巧?，例如激光電視等?/p>

　　一架空軍戰(zhàn)斗機(jī)搭載高能激光器的藝術(shù)想象圖。

（插圖：Nicholas Violoa/Infoscitex/USAFRL）

　　什么是激光電視？激光電視是采用激光光源，并配備專業(yè)抗光增益屏來收看廣電節(jié)目，點(diǎn)播互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的第四代電視。

　　相比于第一代黑白電視、第二代彩色電視、第三代數(shù)字電視，經(jīng)過三次技術(shù)的迭代，激光電視將使用激光光源的數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)和電視技術(shù)結(jié)合形成第四代電視顯示技術(shù)。其中DLP技術(shù)還于2015年榮獲奧斯卡科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

激光電視（圖片來源：視覺中國）

　　激光電視的工作原理其實(shí)很簡單，光源采用極高功率的激光光源，如紅、綠、藍(lán)三基色固態(tài)激光器，或單色固態(tài)激光器激發(fā)熒光粉發(fā)光光源，或用固態(tài)激光器結(jié)合LED作為系統(tǒng)基色或混色光源，在每平米聚集了超過100瓦的光能量。激光器發(fā)射出特定波長的光線，光線經(jīng)過光束整形或經(jīng)過顏色轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)一般對(duì)光源所發(fā)出的光線進(jìn)行整形，并且采用DLP技術(shù)或LCOS技術(shù)（一種采用有源點(diǎn)陣反射式液晶顯示技術(shù)）進(jìn)行微顯示及圖像顯示。

激光電視工作原理（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　激光電視必須有一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的熒光粉色輪，在色輪上分段涂上不同顏色的熒光粉，當(dāng)色輪高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)不同基色光的發(fā)射。