揭开生命的奥秘(揭开生命的奥秘纪录片观后感)

苹果iPhone12配备激光雷达,成为一大亮点。激光已经诞生60年,为何称它为“最亮的光”“最快的刀”和“最准的尺”?

撰文/刘晨(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院副教授、全国光电技术学科首席科学传播专家)

编辑/吉菁菁 新媒体编辑/陈炫之

六十年前的1960年5月16日,美国年轻的物理学家梅曼成功研制了人类历史上第一台激光器——红宝石激光器,它能产生频率单一、方向高度集中的光。它是20世纪能够与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一,对人类社会的发展产生了深远的影响。

为了纪念这一重大的历史事件,2018年联合国教科文组织宣布:将激光的诞生日,即每年的5月16日定为“国际光日”。

最快的刀、最准的尺、最亮的光···这束神奇的光已问世六十年

▲国际光日(图片来自网络)

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神奇的激光

激光是什么?它为何具有如此重要的地位?

激光是利用某些物质原子中的粒子受激发而发出的光,它与普通的光有所不同,其辐射出的光波具有相同的位相、频率和振动方向。激光的英文名称叫“Laser”,是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 每个单词首个字母的缩写,如用中文加以解释,就是“受激辐射的光放大”, 这实际上也反映了激光器的工作原理。

激光有别于普通光源,主要体现在三个方面:首先,激光方向性好,能量高度集中。普通光源发出的光是发散的,面向四面八方,而激光的发散角极小。据称,人类曾在20世纪60年代使用过激光来照射月球(月球上的反光镜是美国登月时留下的)并返回地球,结果在月球表面上显示的光斑方圆不到2千米。另外,正因为激光发出的光子能集中在一个极小的空间内,所以能量密度极大,故强激光甚至可以产生上亿摄氏度的高温。

其次,激光单色性好。普通光源发出的光波长范围很宽,它不是真正意义上的单色光。而激光则不同,因为它是受激辐射的光放大,因此它所发出的所有光子与外界激发它的光子是一模一样的,故激光的波长范围很窄。

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▲激光的颜色纯(图片来自网络)

最后,激光的相干性好。普通光源发光机理是自发辐射,不同原子产生的自发辐射光在频率、偏振方向及传播方向等方面都不相同,且杂乱无章;而激光则不同,它的工作机理是受激辐射,因此所有光子与外界激发它的光子无论在频率,还是偏振方向和传播方向上都是相同的。

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▲激光的相干性好(图片来自网络)

所以,激光的相干性很好,当用于光的干涉实验时,则很容易观测到干涉条纹,例如2016年探测到引力波的试验装置使用了迈克尔逊干涉仪,它所采用的光源就是激光。

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“激光”的中文名来自钱学森

那么又是谁把激光器的英文名称叫“Laser”的呢?

他的名字叫戈登·古尔德(Gordon Gould )。古尔德在第二次世界大战快结束时毕业于名校耶鲁大学,并获得光学和光谱学硕士学位,随后就去参加了制造原子弹的“曼哈顿计划”。

1949年古尔德进入哥伦比亚大学攻读博士学位,他的导师库施(Kusch)很厉害,他曾因测量电子的反常磁矩而和兰姆共享1955年诺贝尔物理学奖。

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▲20世纪50年代,戈登·古尔德(左)在做微波激光实验。(图片来源:ESVA/AIP/SPL)

古尔德博士论文的题目是关于铊的光抽运实验来研制微波激射器(Maser),于是他就和发明Maser的同校教授查尔斯·哈德·汤斯交谈过多次,共同的兴趣使他们走到了一起。古尔德做梦都想成为一名发明家,于是他主动放弃了博士学位,加入到了一家小公司,他试图说服这家小公司研制激光器(实现比微波波长更短的范围内的光放大),这家小公司一方面用古尔德的方案去向军方申请专利,另一方面用他的方案去向军方申请经费30万美元。

有了经费以后,古尔德就开始了激光器的研制。他把自己关在寓所里,苦思冥想激光器的研制问题,最终认识到必须要用法布里-珀罗谐振腔才能产生相干光。他对谐振腔也进行了理论推算。虽然没有汤斯和肖洛的理论严谨,但思路却更广。

于是他把整理出来的东西抄在实验室用的笔记本上,标题就是“Laser(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)”, 然后他跑到一家烟杂店,请店主作公证:在装订好的九页纸上签名盖章,古尔德自己也在上面签了字。作为报答古尔德还在此店买了一条香烟。

1958年,在一次学术会议上,古尔德亮出他在1957年的笔记本上的标题:Laser。这引起了会议主席阿瑟·肖洛的反对,但大多数与会者认为汤斯和肖洛的“光学Maser”叫法别扭,并且不符合逻辑,怎么既有光学又有微波?于是把这种器件叫做“Laser”,这就是英文“Laser”形成的由来。

“激光”这个中文名词,不是译音,也不是外来语,在我国造出第一台激光器之后的头几年,也没有这个词,当时人们把 “Laser” 称之为“量子放大器”“莱塞”“光受激发射”等等,但大家都感到很绕口。

1964年10月,中国科学院长春光机所主办的《光受激发射情报》(其前身为《光量子放大专刊》)杂志编辑部致信我国著名科学家钱学森,请他为Laser这种新光源取一个中文名字。钱学森教授很快便回信并建议:“光受激发射这个名词似乎太长,读起来费事,能不能改称为激光?”

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▲钱学森资料图(图片来源:视觉中国)

同年12月,上海召开第三届光量子放大器学术会议,这次会议由著名科学家严济慈主持,会上讨论了激光器的取名问题,正式采纳了钱学森的建议,将“通过辐射受激发射的光放大”的英文缩写Laser正式翻译为“激光”。随后,《光受激发射情报》杂志也改名为《激光情报》。此后,便有了“激光”这一名词。

中国大陆以外的华人世界,有把“Laser”翻译成“镭射”的,音是近了,但却使人误解与放射性镭有关。

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“最亮的光”“最快的刀”和“最准的尺”

自1960年激光器发明后,激光因其亮度极高、能量极大、颜色极纯和方向性好这四大特性,在日常生活中,比如照明、切割、医疗、军事上得到了广泛的应用,被人们誉为“最亮的光”“最快的刀”和“最准的尺”,成为20世纪具有标志性意义的技术进步之一。

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(图片来自网络)

激光最大的用途可以说是运用于光纤通信了。大家知道,人类要想实现光通信,必须解决两个难题: 一是要有一个好的符合要求的光源,二是要有一个稳定又理想的传输介质。梅曼发明激光器之后,一种新的光源——激光就诞生了。由于这种光源具有良好的特性,亮度高、方向性好、单色性好,可以用来作为光通信的载波,这在很大程度上解决了过去很长时间里一直困扰研究人员的光源问题,使得长期停滞不前的光通信揭开了新的一页。

光纤通信是指携带信息的光波(通常是激光),以光导纤维为传输媒质的光通信。光纤通信具有许多特点,主要体现在“大”“好”“省”“长”“远”等方面。“大”即通信的容量大,从理论上讲,利用只有头发丝细的一对光导纤维可以同时传送20亿路电话和1000套电视节目。“好”即通信质量好,保密性能好,在光导纤维中传播的光既不向外漏泄,也不发生干扰。“省”能节省大量昂贵和稀缺的有色金属,光纤是由天然石英经过高度提纯后拉制而成,成本低廉。“长”即使用寿命比较长,光纤线路典型寿命是25年,比卫星寿命还长。“远”即直通距离远,光波在光导纤维中传输,能量衰减较小,而没有中继器的直达通信距离仅为10公里以上。

激光还可以运用于测量领域。测量是一项极其重要的活动,能测到更细微的领域,也就能发现新的世界。

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▲中国科学院实现国内首次月球激光测距(图片来源:中科院云南天文台)

我们可以利用X射线激光来揭开蛋白质的神秘面纱。通过X射线衍射法可间接地研究蛋白质晶体的空间结构,帮助人们从原子的水平上了解物质。

2018年诺贝尔物理学奖获得者,美国物理学家阿瑟·阿斯金(Arthur Ashkin),他的成就就是光学镊子在生物系统中的应用。有了光学镊子,我们就有了更好的测量工具,在不接触被测物体的情况下,可以三维立体地观察极细微的物体,这些物体可以是没有生命的分子,也可以是构成生命基础的蛋白质和DNA。依靠这项技术,我们可以更加深入地揭开生命的奥秘

利用激光方向性好的特点,我们可以把激光运用于医疗。 激光手术以激光代替传统手术器械,对生物组织采用分离、切除、焊接、打孔等手段来去除病灶,吻合组织、血管、神经等。由于激光是聚焦非常精准的高能量单色光束,因此激光手术具有许多独特的优势,比如对周围正常组织损伤很小,并且止血快,止血效果好,甚至有望达到手术中极少出血或无出血的效果。手术后,伤口愈合快。

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▲激光手术(图片来自网络)

2018年诺贝尔物理学奖的另一半获奖者则是热拉尔和唐娜,两位科学家提出了制造高强度、超短波脉冲激光的方法,即他们制造出了超强脉冲激光。通过这种超强度脉冲激光,我们可以把它用于眼科改善近视的治疗,用这种超短波激光做手术好处很大。

未来,激光还可以用于验证真空的量子电动力学效应。按照经典的物理描述,真空通常被认为是一个完全空白的空间,但是根据量子电动力学的原理,实际上真空中充满了不断出现又不断消失的虚粒子。它能不断地产生正物质和反物质,真空不是空的。利用超高强度的激光,我们可以开启对真空的探索之旅,在超强激光的光场作用下,真空变成了有东西存在的空间,因此通过激光可以来验证真空的量子电动力学效应。当然前提必须要有一个超高强度的激光器。

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激光应用:飞入寻常百姓家

激光走进了人们的日常生活,同时也加速了人类社会前进的步伐。除了军事应用,激光也有望在人们日常生活和工作中扮演更加重要的角色,例如激光电视等。

一架空军战斗机搭载高能激光器的艺术想象图。

最快的刀、最准的尺、最亮的光···这束神奇的光已问世六十年

(插图:Nicholas Violoa/Infoscitex/USAFRL)

什么是激光电视? 激光电视是采用激光光源,并配备专业抗光增益屏来收看广电节目,点播互联网内容的第四代电视。

相比于第一代黑白电视、第二代彩色电视、第三代数字电视,经过三次技术的迭代,激光电视将使用激光光源的数字光处理(DLP)技术和电视技术结合形成第四代电视显示技术。其中DLP技术还于2015年荣获奥斯卡科学技术奖。

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▲激光电视(图片来源:视觉中国)

激光电视的工作原理其实很简单,光源采用极高功率的激光光源,如红、绿、蓝三基色固态激光器,或单色固态激光器激发荧光粉发光光源,或用固态激光器结合LED作为系统基色或混色光源,在每平米聚集了超过100瓦的光能量。激光器发射出特定波长的光线,光线经过光束整形或经过颜色转换后,进入成像系统。 成像系统一般对光源所发出的光线进行整形,并且采用DLP技术或LCOS技术(一种采用有源点阵反射式液晶显示技术)进行微显示及图像显示。

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▲激光电视工作原理(图片来自网络)

激光电视必须有一个高速旋转的荧光粉色轮,在色轮上分段涂上不同颜色的荧光粉,当色轮高速旋转的同时,就可以实现不同基色光的发射,这样我们就可以看到五颜六色的彩色画面了。

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出品:科普中央厨房

监制:北京科技报 | 科学加客户端

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(今完)

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