作者: 上海光機所

60年前，人類有了第一束激光

它不僅(jin) 在軍(jun) 事上有很重要的應用

而且工業(ye) 上可用於(yu) 汽車鋼板的切割

醫學上可用於(yu) 做激光手術

通信上可以加快信息的傳(chuan) 遞

生活上可帶來豐(feng) 富多彩的激光表演

......

一束小小的激光竟然有如此多的功能

今天我們(men) 就跟隨中國科學院的李儒新院士

了解一下激光和它背後的故事

李儒新

中國科學院院士

中國光學學會(hui) 副理事長

（以下為(wei) 李儒新院士演講實錄）

大家好！我是李儒新，來自中國科學院上海光學精密機械研究所，60年前的5月16號，人類有了第一束激光，所以今天我就跟大家聊一聊激光的那些事情。

60年前美國工程師梅曼發明了人類的第一台激光器，中國的第一台激光器比美國的第一台激光器晚了一年多，是由中國科學家王之江院士，和他的團隊在1961年在長春發明的，大家可以看到，這個(ge) 就是我們(men) 國家第一台激光器的複製品，兩(liang) 邊是激光器的最基本的一個(ge) 單元的組成，就是它的兩(liang) 塊反射鏡構成諧振腔，激光器的發明以及它所展示出來的強大的應用前景，很快就引起了黨(dang) 和國家領導人的高度重視。

1963年12月16號，毛主席聽取了聶榮臻副總理，聶榮臻副總理當時是我們(men) 國家負責科技方麵的最高領導人，他向毛主席匯報了激光的研究和應用的一些進展情況。毛主席就有一個(ge) 即時講話，在1963年12月16日，所以這是我們(men) 中國的激光發展史上值得記住的一個(ge) 重要的一天。

毛主席說死光，因為(wei) 當時並沒有激光這兩(liang) 個(ge) 詞，激光這兩(liang) 個(ge) 詞是1964年，後麵由錢學森提出的建議名字，當時因為(wei) 隻有英文LASER，所以我們(men) 國家把它叫死光，毛主席說死光要有一小批人專(zhuan) 門去研究它，吃不了飯不幹別的，專(zhuan) 門研究它。

激光它的英文叫LASER，LASER實際上是受激輻射光放大的英文這幾個(ge) 詞的縮寫(xie) 。那麽(me) 我們(men) 現在把它稱為(wei) 激光，它是有內(nei) 涵的。而我們(men) 的台灣同胞就直接把英文的LASER翻譯成鐳射，所以它是一個(ge) 音譯。因此現在我們(men) 大陸用的激光翻譯它是個(ge) 意譯，它是比較準確的把激光的工作原理的基本的內(nei) 涵給它點明了，它是個(ge) 受激輻射的光放大過程。

激光技術的發明在這過去的60多年來，給人類的生產(chan) 生活帶來了巨大的變化，它有很多方麵的應用。給大家舉(ju) 一些例子，比如說最早的名稱叫死光，是因為(wei) 它可能在軍(jun) 事上有很重要的應用，在工業(ye) 生產(chan) 上麵，它可以用於(yu) 汽車鋼板的切割，醫學上可以用來做激光手術，在切割的時候同時就能止血，它比手術刀的功能還多了一點。另外在通信領域它現在是發揮了巨大的作用，我們(men) 之所以能夠互聯網上麵衝(chong) 浪有快速的信息的傳(chuan) 遞的容量，就是因為(wei) 用了激光作為(wei) 信息的載體(ti) 。另外在生活的很多方麵，比如說它可以用來做激光表演，激光音樂(le) 、激光電視等等，都為(wei) 我們(men) 的生活增加了很多樂(le) 趣。

這是因為(wei) 激光不同於(yu) 其他光源，它具有單色性、相幹性、方向性和很高的亮度，能夠把這些特性結合在一起的光源就隻有激光。

我先給大家講一講我們(men) 家裏常用的燈泡，白熾燈的發光原理，白熾燈發光原理就是電流通過鎢絲(si) ，變為(wei) 加熱的鎢絲(si) ，鎢絲(si) 溫度升高，它就發出光。所以大家有時候看到快要壞掉的燈泡，眼睛可以看到鎢絲(si) 裏麵變紅的過程，然後它就斷掉了。

那麽(me) 我們(men) 人因為(wei) 體(ti) 溫是37（攝氏）度，我們(men) 也可以發出光，但是37（攝氏）度發出的光，波長我們(men) 看不見光，它的波長是在10微米左右，所以白熾燈的發光原理是跟溫度有關(guan) 的，這是一種光源。

我們(men) 再來看一看，現在家裏大家都也是很普遍的使用的節能燈，它是一種熒光燈的原理，它的基本原理是電流通過電離裏麵的氣體(ti) ，（釋放的紫外線）去轟擊管壁上鍍的白色的熒光粉就會(hui) 發出光，效率會(hui) 比剛才的加熱鎢絲(si) 發出的光的從(cong) 電到光的轉換效率會(hui) 更高，所以它就更節約能量，大家就把它叫做節能燈。

還有一種光源，大家就是去參加音樂(le) 會(hui) ，看體(ti) 育表演中經常要做拉拉隊所使用的熒光棒，熒光棒的發光的原理，跟剛才的節能燈有類似的地方，都是由熒光的一種發光的這種原理。但是在熒光棒裏是一個(ge) 化學反應過程，當我們(men) 彎曲熒光棒的時候，就會(hui) 引起其中的一些化學反應，那麽(me) 這個(ge) 化學反應就會(hui) 使熒光分子的能級從(cong) 低能跳到激發態高能級，那麽(me) 在高能級的熒光分子，它會(hui) 在一定時間裏麵會(hui) 自動會(hui) 跳回它的基態。在熒光分子的跳躍過程中，它也會(hui) 發出光。所以這是我們(men) 大家平常常見的幾種光源的發光原理。

要想獲得單色性和方向性非常好的激光，我們(men) 就需要在激光腔裏麵的工作介質紅寶石和激光腔兩(liang) 端的腔鏡的幫助。在這台中國第一台激光器裏麵，要達到上述目標的話，大家可以看到我們(men) 希望的兩(liang) 個(ge) 腔鏡之間要非常的平行，它們(men) 端麵和端麵之間的不同位置的誤差不能超過200個(ge) 納米。那麽(me) 在諧振腔裏麵就發生了兩(liang) 件事情：第一，任何與(yu) 軸線不平行的光線，最終都會(hui) 從(cong) 圓柱體(ti) 的側(ce) 麵出來；第二，隻有平行於(yu) 軸線的這些光線能夠不斷的反射變得越來越強。軸向端產(chan) 生駐波，這就意味著隻有特定的波長可以在腔裏麵存在，可以來回的反射。所以激光腔可以正確的選擇波長，可以獲得接近於(yu) 單色光的波長的這樣一個(ge) 激光的特性。

激光器大家看上去好像比較複雜，實際上它就隻有三個(ge) 要素：一是我剛才給大家提到的它要有個(ge) 工作介質，我們(men) 第一台激光器裏麵它就是紅寶石；另外它要有一個(ge) 腔鏡構成諧振腔，那麽(me) 這裏就是兩(liang) 塊鍍銀的反射鏡；還有一個(ge) 重要的要素，它的能量從(cong) 哪來？我們(men) 要有一個(ge) 閃光燈，把能量交給工作介質。這就是激光的三要素。工作介質、諧振腔，和能量來源，我們(men) 一般把它稱為(wei) 泵浦源，激光的三要素中的工作介質對我們(men) 中國的第一台激光器來說，工作介質就是紅寶石，那麽(me) 美國人梅曼發明的第一台激光器的工作介質也是紅寶石。60年過去了，現在出現了多種多樣的激光器，工作介質五花八門，有固體(ti) 的、氣體(ti) 的、電子的、半導體(ti) 的都有，比如說大家很常見的激光筆，它的工作介質就是半導體(ti) ，所以現在有多種多樣的激光的工作介質。

我們(men) 剛才已經簡單的聊了聊激光器在過去60年代發明的過程、它的特性和它的一些應用，那麽(me) 大家可以來預測一下，未來激光器還有可能給我們(men) 人類生產(chan) 生活帶來什麽(me) 新的可能性。我們(men) 就來從(cong) 它的一個(ge) 特點開始說起。

剛才講到激光的特性之一是高亮度，那麽(me) 激光的亮度可比太陽光亮多了。比如說現在在上海浦東(dong) 建設的羲和激光，那麽(me) 如果用一個(ge) 放大鏡把羲和激光1016W的激光聚焦，聚焦以後達到的亮度或者說功率密度，即單位麵積上的功率，達到了10 22~1023這麽(me) 高的量級。在這樣一個(ge) 亮度下麵，我們(men) 的物質世界就會(hui) 發生巨大的變化，材料的特性就發生變化。

我們(men) 更往前設想一點，如果強度繼續提高，比如說我們(men) 現在設想，如果能夠把強度和聚焦的功率密度再提高1~2個(ge) 數量級，到達1023或者1024W/cm2。在這樣的光場下，就有可能把真空變成有東(dong) 西，形象的說，我們(men) 就假設真空裏麵沒東(dong) 西，但是激光足夠強了以後，就像一個(ge) 照妖鏡一樣能夠照出裏麵的妖怪，裏麵妖怪是什麽(me) ？根據量子電動力學，真空裏麵，實際上是一個(ge) 能夠把正物質-反物質（粒子對）激發出來這麽(me) 一個(ge) 基本的狀態。真空不是空的，它是按經典的這樣一個(ge) 物理的描述它是空的，但是在量子力學裏麵，真空裏麵是會(hui) 不斷的會(hui) 產(chan) 生正物質和反物質，所以我們(men) 就希望當光強足夠高的時候，能夠驗證真空的量子電動力學效應。

阿秒是什麽(me) 概念？阿秒是10-18秒，所以有朝一日我們(men) 能夠做出阿秒的激光，實現超快的顯微鏡或者加上閃光燈，就能夠看清楚原子這種尺度裏麵的這麽(me) 快的過程，所以這也是人類的夢想之一。

當然激光器還有很多其他的應用價(jia) 值，比如說很多的蛋白質結構的測量，比如說對病毒的結構的測量，我們(men) 現在都是測量它的穩定的結構。那麽(me) 它的蛋白質結構的測量，如果變成能夠拍電影的話，我們(men) 就可以看到，比如說在用藥物去治療，去殺傷(shang) 殺滅病毒的過程中，我們(men) 是怎麽(me) 看到藥物的分子跟蛋白質的病毒的蛋白質分子之間是怎麽(me) 結合的？我們(men) 也希望將來有朝一日用激光作為(wei) 一種手段，能夠把這個(ge) 過程全部把它探測出來，這樣就為(wei) 研發對抗病毒，提供關(guan) 鍵的數據。所以這些在生命科學和在物理學，還有化學，還有材料科學方麵有很多應用，都是未來的幾年裏麵或者幾十年裏麵都會(hui) 出現，我們(men) 就期待著這一天的早日到來。

在要結束跟大家的聊天之前，我也想給大家提一點希望。今年是2020年，5年前的2015年聯合國把2015年就確定為(wei) 國際光年，國際光年的那一年，我們(men) 做了一件事情，拍攝了跟激光有關(guan) 的諾貝爾獎的視頻，拍成了每個(ge) 諾貝爾獎的小故事，大概拍成了三分鍾的視頻，做成動畫，把諾獎的基本的原理把它做成動畫展示給大。

我們(men) 非常高興(xing) 的是發現，當我們(men) 把這些視頻放到網上去以後，有很多小朋友們(men) 就受到了啟發。我印象很深刻的是其中有一位中學生他寫(xie) 信過來說，當他看到了這些非常美妙的這些跟光有關(guan) 的諾貝爾獎的故事之後，他就萌發了將來一定要學習(xi) 光學這樣一個(ge) 願望。所以我想跟大家交流的這些激光有關(guan) 的基本原理也好，或它的應用也好，最後落腳點還落到能夠給我們(men) 的生活帶來更多改善和提高，也就是我們(men) 曾經有一個(ge) 口號，就是激光讓生活更美好，希望大家一起努力做到這一點。謝謝大家！