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淺談神秘之光——激光

2019-01-17 09:45來源:人民日報

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  作為20世紀人類重大發明之一,激光已經融入經濟社會的方方面面。2018年諾貝爾物理學獎頒給了在激光物理領域做出突破貢獻的3位科學家,突顯激光的重要作用。

  從字面解釋,激光是指通過受激輻射對光進行放大。當一束光經過一個物體時,在某種特殊條件下能夠發生受激輻射,輻射出來的光和入射光一模一樣。這個過程就好像是通過一個光的克隆機,把入射光放大了。由于其獨一無二的光學特性,激光又被稱為“最亮的光”“最準的尺”以及“最快的刀”。激光還有極好的方向性,比如,地球距離月球約38萬千米,若使用激光照射,在月球表面形成的光斑不到2000米;而相同情況下,其他光源產生的光斑早已覆蓋整個月球。

  自1960年第一臺激光器發明以來,經過不斷發展,激光已廣泛應用于光纖通信、美容、打印、眼科手術、武器和測距等領域。2018年諾貝爾物理學獎得主之一阿什金,于上世紀80年代發明了光鑷技術,利用聚焦的激光,像鑷子一樣把微小物體夾起來進行移動。如今,光鑷已成為許多物理學家、化學家和生物學家必不可少的工具,幫助他們精確地操作原子、分子、細菌、病毒和細胞等,為研究微觀現象開啟了一扇大門。

  根據工作方式,激光可分為連續激光和脈沖激光。脈沖激光在時間上表現為一個接著一個的光脈沖,其峰值功率會遠遠大于連續激光。形象地說,連續激光好比10米深的平靜水面,而脈沖激光就像1米深的水面上形成了一個足有1000米高的波浪。激光脈沖的寬度,可以短于1皮秒(1皮秒等于萬億分之一秒),甚至到飛秒(1飛秒等于千萬億分之一秒)量級。將能量集中在這么短的時間內,其峰值功率之高可想而知。

  2018年另外兩位諾貝爾物理學獎得主穆魯和斯特里克蘭,于1985年發明了啁啾脈沖放大技術,得到了峰值功率極高的超短脈沖。這種峰值功率很高的超短激光能夠精確地在不同材料上實現切割和鉆孔,已廣泛用于激光視力矯正手術以及精密加工,如手機的顯示屏和內部精小部件。而在研究物質內部動態過程時,利用飛秒量級的激光脈沖可以對原子和分子進行拍照,讓科學家們洞察微觀世界的秘密。

  此外,借助啁啾脈沖放大技術,不少國家正在建設超強激光裝置。中國在該領域具有非常扎實的基礎,近年來不斷取得突破性成果。利用這種強激光裝置,能夠在實驗室里制造極端物理條件,有望揭示新的物理規律。

  毫無疑問,豐富多樣的激光技術為我們提供了認識世界和改變世界的強大工具。相信在科學家們的共同努力下,更加神奇的激光技術將會不斷涌現。(作者為中國科學院物理研究所研究員)

[責編:趙清建]

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