科普-中华学生百科全书-第312章
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人们对光和光学现象的观察和研究有几千年历史了，在我国春秋战国时
的思想家墨子的科学著作《经说》中，就有关于光现象的描述。光和人类生
活有密切的关系，人们天天都生活在光的世界里。但是直到本世纪初，人们
才对它的本质有了较深入的了解。
向平静的湖里扔一块石子，水面上会产生一圈圈的波纹，这是最直观的
波——水波。拨动一根琴弦，会在空气中产生听得见的声音，人们称之为声
波。广播电台、电视台的天线发射出我们看不见、听不见的一种波，它们就
是电和磁交替变化的电磁波。光是我们能感觉到的，然而没有人觉得它是一
种波动。现代科学理论证明，光也是一种电磁波，具有波的特性；只是可见
光的波长极短，不到 1 微米，频率极高，每秒钟振荡 103～1015次，所以人们
无法感觉到它的波动。
光是原子、分子的运动产生的。改变分子和原子的能量状态，会产生光
振荡。
那么，这种能量状态是怎么改变的呢？
本世纪初，科学家已为我们画出了原子世界的图像。它真像我们的太阳
系：太阳的位置上是原子核，一颗颗电子像行星一样，在各自的轨道上绕原
子核运转。
氢原子是最简单的原子，它只有一个电子围绕原子核转。电子在靠近原
子核的轨道上运转时，能量较小；在离原子核较远的轨道上运转时，能量较
大。如果把氢原子的一个电子激发到能量大的较远的轨道上，再把它退激回
到原来轨道上，它便释放出一个光子，这就是发光。要使氢原子发光，可以
用电离的办法：把稀薄的氢气注入一只放电管内。通电后，电子从阴极出发，
在电场中加速，飞向阳极，电能转化为电子动能。高速的电子和氢原子碰撞，
把氢原子的电子撞出来。也有的电子只是把能量传给了氢原子的电子，使它
们从能量较小的轨道“激发”到能量较大的轨道上去，能量便得到了提高。
原子中的电子能量得到提高后，原子就处于激发状态，很不稳定，好比放在
一个圆锥体尖顶上的小球，随时都会掉下来。当处于激发状态的高能量的原
子回到低能量状态时，就以光的形式把能量释放出来。从目前人类已掌握的
知识来看，光就是这样产生的。
原子发光的先决条件是必须受到外界的能量的激发。几乎各种能量都可
以成为这种激发条件而转化成光能。
激光固然具有光的性质，但并不等于所有的光全都是激光。譬如太阳光、
灯光和烛光等，这些光产生时原子内部的能量变化是杂乱无章的，光的颜色
也各不相同。这些光射向四面八方，“各行其事”，一点也不守“纪律”。
这种“自发辐射”的光好比广场上的人群，各走各的，互不相关。激光是原
子、分子在一定的方式激发之下产生的受激辐射。犹如一队士兵听到命令，
马上列成整齐的队伍，每个人都按一定的次序、间距和步伐，有组织地排成
一条狭长笔直的人龙开步向前走。在这里指挥员的命令就好比是激发因素，
一个个士兵就是受激发的原子、分子。梅曼实验室中世界第一台激光器射出
的深红色光束，就是发自红宝石中的受激发原子。科学家从这种不寻常的红
光中看到了一个崭新的物理奇迹。
激光的机制
激光是一种特殊的电磁波。激光的产生是 100 多年来科学家深入研究电
现象、磁现象和光现象的结晶。激光的直接创始人，可以追溯到当代伟大的
科学家爱因斯坦。爱因斯坦得过一次诺贝尔奖金。有趣的是，他得奖并不是
由于举世闻名的相对论，而是因为他在 1905 年提出的光量子假说。根据这个
假说：光是由许许多多光子组成的，不同颜色的光由不同能量的光子组成。
爱因斯坦用这种假说解释光电效应获得了惊人的成功。1916 年，爱因斯坦在
《关于辐射的量子论》论文中提出原子中的电子可以受“激”而放出光子。
这种受激辐射的过程就是产生激光的基本物理原理。
激光这个名词是从英文单词“Laser”翻译过来的。最初，根据它的英文
发音，译成“莱塞”、“镭射”等，不明其理的人看了简直莫名其妙。后来，
有人根据它的意思，翻译成“受激辐射光”。显然，这个译名的含义清楚，
而且把它跟普通光的区别明确地表示了出来，但字数太多，读起来不方便。
1965 年，我国一些著名科学家建议，把“受激辐射光”缩写成“激光”两字，
这样就比较简明顺口了。
发光有两种形式。自发辐射是发光的一种形式。除此之外，还有另一种
发光形式，那就是受激辐射。什么是受激辐射呢？这就是说，原来处在高能
级的原子，还可以在其他光子的刺激或感应下，跃迁到低能级，同时发射出
一个同样能量的光子。由于这一过程是在外来光子的刺激下产生的，所以叫
做受激辐射。有趣的是，新产生的光子与外来光子具有完全相同的状态，即
频率一样、波长一样、方向一样。
只要产生一次受激辐射，就能使一个光子变成两个光子，这两个光子又
会引起其他原子发生受激辐射，于是，在极短的瞬间内激发出无以数计的光
子，实际上就将光放大了。在这种情况下，只要辅以必要的设备，就可以形
成具有完全相同频率和相同方向的光子流，这就是激光。而放大光的设备，
就是激光器。
在 1953 年，根据爱因斯坦的受激辐射原理，美国物理学家汤斯研制成功
了微波放大器。
1960 年 9 月，激光终于在美国年轻的物理学家梅曼手中诞生。
梅曼的激光器中使用了一根人造红宝石作为发光物质，以强光作为激光
源。红宝石是一种人工制造的晶体。当梅曼用氙灯的闪光照射红宝石时，实
验室里突然发射出一束深红色的光，其亮度达到太阳表面亮度的四倍。这束
振奋人心的耀眼光束就是激光。
大约半年后，我国也研制出一台红宝石激光器。
激光器由发光物质（介质）、管状谐振腔和激光源三部分组成。许多物
质都可以产生激光，但不同的物质产生的激光在物理性能上有所不同。
激光器的工作方式以发射出的激光持续时间长短分为连续、脉冲、巨脉
冲和超短脉冲四种。
激光的特点
第一个特点是——比太阳还要亮百亿倍
太阳光又强、又热，谁也不敢正视耀眼的太阳，可是与激光相比，太阳
光就仿佛是小巫见大巫了。梅曼制成的那台红宝石激光器，它发射出的深红
色激光是太阳亮度的四倍。而近年来研制出的最新激光，要比太阳表面亮度
高出一百亿倍以上！
因为激光器发出的激光是集中在沿轴线方向的一个极小发射角内（仅十
分之一度左右），激光的亮度就会比同功率的普通光源高出几亿倍。再加上
激光器能利用特殊技术，在极短的时间内（比如一万亿分之一秒）辐射出巨
大的能量，当它会聚在一点时，可产生几百万度，甚至几千万度的高温。
第二个特点是——颜色最纯
太阳光分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。不同颜色的光，它
们的波长是各不相同的。在自然界中几乎找不到波长纯而又纯的光，各种波
长的光总是混杂在一起的。
科学家们长期以来一直努力寻找一种波长一致的单色光源。
激光就是这种理想的单色光源。拿氦氖气体激光器来说，它射出的波长
宽度不到一百亿分之一微米，完全可以视为单一而没有偏差的波长，是极纯
的单色光。
第三个特点是——方向最集中
当我们按亮手电筒或打开探照灯时，看上去它们射出的光束在方向上是
笔直的，似乎也很集中，但实际上，当光束射到一定距离后，就散得四分五
裂了。唯有激光才是方向最一致、最集中的光。如果将激光束射向月球，它
不仅只须花 1 秒钟左右便能到达月球表面，而且仅在那里留下一个半径为两
千米的光斑区。
第四个特点是——相干性极好
当用手将池中的水激起水波，并使这些水波的波峰与波峰相叠时，水波
的起伏就会加剧，这种现象就叫干涉，能产生干涉现象的波叫干涉波。激光
是一种相干光波，它的波长、方向等都一致。
物理学家通常用相干长度来表示光的相干性，光源的相干长度越长，光
的相干性越好。而激光的相干长度可达几十千米。因此，如果将激光用于精
密测量，它的最大可测长度要比普通单色光大 10 万倍以上。
激光的四大特点是互有联系，相辅相成的。
略施小技
科学家掌握激光的特性以后，使激光登上显示现代科学技术的大舞台，
让它干了三件不可思议的奇事。
第一件奇事是刺破青天，去叩响月球“广寒宫”的大门。1969 年，美国
的宇航员乘坐宇宙飞船首次登上月球。其实激光早在 1962 年就已经捷足先
“登”上了月球。那次，科学家使用的是红宝石激光束。激光从地球射到月
球上，再从月球返回地球，越过万里长空，来去只花了 2．6 秒。科学家拍摄
了这一珍贵的镜头，摄下了激光在月球上的足迹—一个明亮的红点。
第二件奇事是让激光束钻到人的眼睛里治眼病。眼睛很像照相机，瞳孔
和瞳孔后的晶状是一个光线可以进入的“窗口”。细得像一条线的激光束，
正好从这里射入眼内。晶体像透镜一样，它把激光聚焦在眼底上。焦点非常
小，只有几十微米，和头发丝直径差不多；因此能量高度集中，温度可达 1000
多度，用它来做精确度很高的眼科手术非常理想。比如，把眼底视网膜上的
裂孔封闭起来。这类手术通常需要把眼球从眼眶中摘出来做，病人很痛苦；
现在用激光去“焊接”，对准患处之后，医生一按开关，只要千分之一秒就
可以把裂孔封闭好。速度之快使病人还不知道手术已经结束。
第三件奇事是在离开激光器一两米远的地方放一块 3 毫米厚的钢板，激
光束一下子就能在钢板上打出一个小洞来。它打洞释放的总能量还不及一只
15 瓦的电灯炮 1 秒钟内发出的能量呢。
激光器的种类
气体激光器
在气体激光器中，最常见的是氦氖激光器。世界上第一台氦氖激光器是
继第一台红宝石激光器之后不久，于 1960 年在美国贝尔实验室里由伊朗物理
学家贾万制成的。由于氦氖激光器发出的光束方向性和单色性好，可以连续
工作，所以这种激光器是当今使用最多的激光器，主要用在全息照相的精密
测量、准直定位上。
气体激光器中另一种典型代表是氩离子激光器。它可以发出鲜艳的蓝绿
色光，可连续工作，输出功率达 100 多瓦。这种激光器是在可见光区域内输
出功率最高的一种激光器。由于它发出的激光是蓝绿色的，所以在眼科上用
得最多，因为人眼对蓝绿色的反应很灵敏，眼底视网膜上的血红素、叶黄素
能吸收绿光。因此，用氩离子激光器进行眼科手术时，能迅速形成局部加热�
