有一項人類重大技術,中國從其產生就走在了世界前端

20世紀繼核能、電腦、半導體之後,人類一項重大發現,自從其誕生以來,就幾乎應用於各行各業,它被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。它的英文名叫做Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(簡寫laser),意思是“通過受激輻射光擴大”,它的本質是粒子受到激發而輻射出的光,在我國被錢學森定名為“激光”,因它的英文簡寫,又被稱為“鐳射”,更因其一劍封喉的本領,在臺灣被稱為“死光”。

有一項人類重大技術,中國從其產生就走在了世界前端

激光的應用極其廣泛,有激光打標、激光焊接、激光切割、光纖通信、激光測距、激光雷達、激光武器、激光唱片、激光矯視、激光美容、激光掃描、激光滅蚊器、LIF無損檢測技術等,幾乎可用於生產和生活中所有領域。

我們知道柴火燃燒時,可燃物質與氧氣進行氧化還原反應產生大量的熱,這些熱量可以將電子從基態激發到更高能級的激發態,當電子從高能級軌道躍遷回基態時,就會放出光, 這就是燃燒發光的本質。但是這種沒有經過馴練的跳水,就會和她們一樣,濺起的水花是雜亂無章的。

有一項人類重大技術,中國從其產生就走在了世界前端

愛因斯坦1917年從理論上預測,當處於高能級E2狀態的粒子(這裡不限於電子)用特定能量(或者一定頻率)的光子去引導它時,會引發粒子迅速的躍遷回E1能級的基態,而激發這個動作的光子能量就恰好等於粒子躍遷回所放出的能量△E=E2-E1,因而躍遷時所輻射出的光子頻率就和引導躍遷動作的頻率是一樣的,這樣就會產生一個類似核反應一樣的鏈式反應,使輻射出的光又帶動其它粒子躍遷釋放出更多光子。這樣就會迅速輻射出具有相同相位、偏振態、傳播方向的,物理上所說的相干光。這個過程就和職業集體跳水一樣,其產生的水花一致性非常好。

有一項人類重大技術,中國從其產生就走在了世界前端

具有這種特性的光,如前所說在各個領域具有優越的應用前景。比如我們昨天說到的粒子加速,因為光線本身就是交互傳播的電場和磁場,如果能控制好粒子在電場加速、在磁場不偏傳,那激光是一種比迴旋加速器高效千百倍的加速裝置,不但體積可減小很多,還無需超導磁場,不需巨大的能量消耗。如果我們能在這方面具有理論與應用上的突破,不單對高能粒子物理具有極大的推動作用,還可促進我國激光在某些方面的應用,比如高能激光武器等等,其性價比要遠高於超級對撞機。因而,這是楊振寧希望我們研究新加速原理,不贊成我們搞超大對撞機的原因之一。《 》

雖說愛因斯坦從理論上預測了激光的存在,但一直到1951年美國物理學家Charles Townes設想用微波激發分子,使其產生一種特殊的輻射的方法,激光才正式從理論邁向實用技術。1953年Townes和他的學生阿瑟·肖洛製成了一個裝置,產生了所需的微波束。

1958年肖洛和他的老師又發現了一個神奇的現象,當他們用氖光燈泡所發射的光照一種稀土晶體時,晶體的分子會發出鮮豔的、始終會聚在一起的強光。他們發表了相關的重要論文,並獲得了1964年的諾貝爾物理學獎。

1960年美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼用一個高強閃光燈管來激發紅寶石,獲得了人類有史以來真正意義的第一束激光。

然而,第二年,1961年中國科學院長春光學精密機械研究所在王大衍的帶領下就誕生了我國第一臺紅寶石激光器。《 》

有一項人類重大技術,中國從其產生就走在了世界前端

中國第一臺紅寶石激光器研製者王之江

從此,我國在固體激光器領域就沒有落後過,而且中國科學院士陳天創研製出的KBBF晶體,足足壓制了美國15年。我國從2009年禁止向任何國家出口KBBF晶體,美國投入巨資花了7年時間,直到2016年才突破這項技術。

有一項人類重大技術,中國從其產生就走在了世界前端

陳天創

陳院士雖已仙去,但是我國在非線性光學晶體方面的領先地位還一直保持著。

2005年,我國在《中國中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》中,將激光技術列為重點發展的前沿技術之一。

有一項人類重大技術,中國從其產生就走在了世界前端

雖然在激光領域緊跟國外技術,但是我國這方面的創新能力還與國外有相當的差距,特別是在民用行業。從激光應用史來看, 我們全部是從國外學來的。

1961年:激光首次在外科手術中用於殺滅視網膜腫瘤。

1962年:發明半導體二極管激光器,這是今天小型商用激光器的支柱。

1969年:激光用於遙感勘測,激光被射向阿波羅11號放在月球表面的反射器,測得的地月距離誤差在幾米範圍內。

1971年:激光進入藝術世界,用於舞臺光影效果,以及激光全息攝像。英國籍匈牙利裔物理學家Dennis Gabor憑藉對全息攝像的研究獲得諾貝爾獎。

1974年:第一個超市條形碼掃描器出現。

1975年:IBM投放第一臺商用激光打印機。

1978年:飛利浦製造出第一臺激光盤(LD)播放機,不過價格很高。

1982年:第一臺緊湊碟片(CD)播放機出現,第一部CD盤是美國歌手Billy Joel在1978年的專輯52nd Street。

1983年:里根總統發表了“星球大戰”的演講,描繪了基於太空的激光武器。

1988年:北美和歐洲間架設了第一根光纖,用光脈衝來傳輸數據。

1990年:激光用於製造業,包括集成電路和汽車製造。

1991年:第一次用激光治療近視,海灣戰爭中第一次用激光制導導彈。

1996年:東芝推出數字多用途光盤(DVD)播放器。

2008年:法國神經外科學家使用廣導纖維激光和微創手術技術治療了腦瘤。

2010年:美國國家核安全管理局(NNSA)表示,通過使用192束激光來束縛核聚變的反應原料、氫的同位素氘(質量數2)和氚(質量數3),解決了核聚變的一個關鍵困難。

2011年3月,研究人員研製的一種牽引波激光器能夠移動物體,未來有望能移動太空飛船。

2013年1月,科學家已經成功研製出可用於醫學檢測的牽引光束。

2014年6月5日美國航天局利用激光束把一段時長37秒、名為“你好,世界!”的高清視頻,只用了3.5秒就成功傳回,相當於傳輸速率達到每秒50兆,而傳統技術下載需要至少10分鐘。

到目前為止,我國中國已初步形成完整、成熟的激光產業鏈分佈。上游主要包括激光材料及配套元器件,中游為激光器製造,下游則以激光裝備、應用產品、消費產品為主。主要應用於工業加工和光通信的國內激光市場,中國已經佔據了近七成的市場空間。


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