有一项人类重大技术,中国从其产生就走在了世界前端

20世纪继核能、电脑、半导体之后,人类一项重大发现,自从其诞生以来,就几乎应用于各行各业,它被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。它的英文名叫做Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(简写laser),意思是“通过受激辐射光扩大”,它的本质是粒子受到激发而辐射出的光,在我国被钱学森定名为“激光”,因它的英文简写,又被称为“镭射”,更因其一剑封喉的本领,在台湾被称为“死光”。

有一项人类重大技术,中国从其产生就走在了世界前端

激光的应用极其广泛,有激光打标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器、LIF无损检测技术等,几乎可用于生产和生活中所有领域。

我们知道柴火燃烧时,可燃物质与氧气进行氧化还原反应产生大量的热,这些热量可以将电子从基态激发到更高能级的激发态,当电子从高能级轨道跃迁回基态时,就会放出光, 这就是燃烧发光的本质。但是这种没有经过驯练的跳水,就会和她们一样,溅起的水花是杂乱无章的。

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爱因斯坦1917年从理论上预测,当处于高能级E2状态的粒子(这里不限于电子)用特定能量(或者一定频率)的光子去引导它时,会引发粒子迅速的跃迁回E1能级的基态,而激发这个动作的光子能量就恰好等于粒子跃迁回所放出的能量△E=E2-E1,因而跃迁时所辐射出的光子频率就和引导跃迁动作的频率是一样的,这样就会产生一个类似核反应一样的链式反应,使辐射出的光又带动其它粒子跃迁释放出更多光子。这样就会迅速辐射出具有相同相位、偏振态、传播方向的,物理上所说的相干光。这个过程就和职业集体跳水一样,其产生的水花一致性非常好。

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具有这种特性的光,如前所说在各个领域具有优越的应用前景。比如我们昨天说到的粒子加速,因为光线本身就是交互传播的电场和磁场,如果能控制好粒子在电场加速、在磁场不偏传,那激光是一种比回旋加速器高效千百倍的加速装置,不但体积可减小很多,还无需超导磁场,不需巨大的能量消耗。如果我们能在这方面具有理论与应用上的突破,不单对高能粒子物理具有极大的推动作用,还可促进我国激光在某些方面的应用,比如高能激光武器等等,其性价比要远高于超级对撞机。因而,这是杨振宁希望我们研究新加速原理,不赞成我们搞超大对撞机的原因之一。《 》

虽说爱因斯坦从理论上预测了激光的存在,但一直到1951年美国物理学家Charles Townes设想用微波激发分子,使其产生一种特殊的辐射的方法,激光才正式从理论迈向实用技术。1953年Townes和他的学生阿瑟·肖洛制成了一个装置,产生了所需的微波束。

1958年肖洛和他的老师又发现了一个神奇的现象,当他们用氖光灯泡所发射的光照一种稀土晶体时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。他们发表了相关的重要论文,并获得了1964年的诺贝尔物理学奖。

1960年美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼用一个高强闪光灯管来激发红宝石,获得了人类有史以来真正意义的第一束激光。

然而,第二年,1961年中国科学院长春光学精密机械研究所在王大衍的带领下就诞生了我国第一台红宝石激光器。《 》

有一项人类重大技术,中国从其产生就走在了世界前端

中国第一台红宝石激光器研制者王之江

从此,我国在固体激光器领域就没有落后过,而且中国科学院士陈天创研制出的KBBF晶体,足足压制了美国15年。我国从2009年禁止向任何国家出口KBBF晶体,美国投入巨资花了7年时间,直到2016年才突破这项技术。

有一项人类重大技术,中国从其产生就走在了世界前端

陈天创

陈院士虽已仙去,但是我国在非线性光学晶体方面的领先地位还一直保持着。

2005年,我国在《中国中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中,将激光技术列为重点发展的前沿技术之一。

有一项人类重大技术,中国从其产生就走在了世界前端

虽然在激光领域紧跟国外技术,但是我国这方面的创新能力还与国外有相当的差距,特别是在民用行业。从激光应用史来看, 我们全部是从国外学来的。

1961年:激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。

1962年:发明半导体二极管激光器,这是今天小型商用激光器的支柱。

1969年:激光用于遥感勘测,激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器,测得的地月距离误差在几米范围内。

1971年:激光进入艺术世界,用于舞台光影效果,以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家Dennis Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。

1974年:第一个超市条形码扫描器出现。

1975年:IBM投放第一台商用激光打印机。

1978年:飞利浦制造出第一台激光盘(LD)播放机,不过价格很高。

1982年:第一台紧凑碟片(CD)播放机出现,第一部CD盘是美国歌手Billy Joel在1978年的专辑52nd Street。

1983年:里根总统发表了“星球大战”的演讲,描绘了基于太空的激光武器。

1988年:北美和欧洲间架设了第一根光纤,用光脉冲来传输数据。

1990年:激光用于制造业,包括集成电路和汽车制造。

1991年:第一次用激光治疗近视,海湾战争中第一次用激光制导导弹。

1996年:东芝推出数字多用途光盘(DVD)播放器。

2008年:法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤。

2010年:美国国家核安全管理局(NNSA)表示,通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘(质量数2)和氚(质量数3),解决了核聚变的一个关键困难。

2011年3月,研究人员研制的一种牵引波激光器能够移动物体,未来有望能移动太空飞船。

2013年1月,科学家已经成功研制出可用于医学检测的牵引光束。

2014年6月5日美国航天局利用激光束把一段时长37秒、名为“你好,世界!”的高清视频,只用了3.5秒就成功传回,相当于传输速率达到每秒50兆,而传统技术下载需要至少10分钟。

到目前为止,我国中国已初步形成完整、成熟的激光产业链分布。上游主要包括激光材料及配套元器件,中游为激光器制造,下游则以激光装备、应用产品、消费产品为主。主要应用于工业加工和光通信的国内激光市场,中国已经占据了近七成的市场空间。


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