六十年前的1960年5月16日，美國年輕的物理學家梅曼成功研製了人類曆史上第一台激光器——紅寶石激光器，它能產(chan) 生頻率單一、方向高度集中的光。它是20世紀能夠與(yu) 原子能、半導體(ti) 及計算機齊名的四項重大發明之一，對人類社會(hui) 的發展產(chan) 生了深遠的影響。

　　為(wei) 了紀念這一重大的曆史事件，2018年聯合國教科文組織宣布：將激光的誕生日，即每年的5月16日定為(wei) “國際光日”。

國際光日（圖片來自網絡）

　　神奇的激光

　　激光是什麽(me) ？它為(wei) 何具有如此重要的地位？

　　激光是利用某些物質原子中的粒子受激發而發出的光，它與(yu) 普通的光有所不同，其輻射出的光波具有相同的位相、頻率和振動方向。激光的英文名稱叫“Laser”，是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 每個(ge) 單詞首個(ge) 字母的縮寫(xie) ，如用中文加以解釋，就是“受激輻射的光放大”， 這實際上也反映了激光器的工作原理。

　　激光有別於(yu) 普通光源，主要體(ti) 現在三個(ge) 方麵：首先，激光方向性好，能量高度集中。普通光源發出的光是發散的，麵向四麵八方，而激光的發散角極小。據稱，人類曾在20世紀60年代使用過激光來照射月球（月球上的反光鏡是美國登月時留下的）並返回地球，結果在月球表麵上顯示的光斑方圓不到2千米。另外，正因為(wei) 激光發出的光子能集中在一個(ge) 極小的空間內(nei) ，所以能量密度極大，故強激光甚至可以產(chan) 生上億(yi) 攝氏度的高溫。

　　其次，激光單色性好。普通光源發出的光波長範圍很寬，它不是真正意義(yi) 上的單色光。而激光則不同，因為(wei) 它是受激輻射的光放大，因此它所發出的所有光子與(yu) 外界激發它的光子是一模一樣的，故激光的波長範圍很窄。

激光的顏色純（圖片來自網絡）

　　最後，激光的相幹性好。普通光源發光機理是自發輻射，不同原子產(chan) 生的自發輻射光在頻率、偏振方向及傳(chuan) 播方向等方麵都不相同，且雜亂(luan) 無章；而激光則不同，它的工作機理是受激輻射，因此所有光子與(yu) 外界激發它的光子無論在頻率，還是偏振方向和傳(chuan) 播方向上都是相同的。

激光的相幹性好（圖片來自網絡）

　　所以，激光的相幹性很好，當用於(yu) 光的幹涉實驗時，則很容易觀測到幹涉條紋，例如2016年探測到引力波的試驗裝置使用了邁克爾遜幹涉儀(yi) ，它所采用的光源就是激光。

　　“激光”的中文名來自錢學森

　　那麽(me) 又是誰把激光器的英文名稱叫“Laser”的呢？

　　他的名字叫戈登·古爾德（Gordon  Gould ）。古爾德在第二次世界大戰快結束時畢業(ye) 於(yu) 名校耶魯大學，並獲得光學和光譜學碩士學位，隨後就去參加了製造原子彈的“曼哈頓計劃”。

　　1949年古爾德進入哥倫(lun) 比亞(ya) 大學攻讀博士學位，他的導師庫施（Kusch）很厲害，他曾因測量電子的反常磁矩而和蘭(lan) 姆共享1955年諾貝爾物理學獎。

20世紀50年代，戈登·古爾德（左）在做微波激光實驗。（圖片來源：ESVA/AIP/SPL）

　　古爾德博士論文的題目是關(guan) 於(yu) 鉈的光抽運實驗來研製微波激射器（Maser），於(yu) 是他就和發明Maser的同校教授查爾斯·哈德·湯斯交談過多次，共同的興(xing) 趣使他們(men) 走到了一起。古爾德做夢都想成為(wei) 一名發明家，於(yu) 是他主動放棄了博士學位，加入到了一家小公司，他試圖說服這家小公司研製激光器（實現比微波波長更短的範圍內(nei) 的光放大），這家小公司一方麵用古爾德的方案去向軍(jun) 方申請專(zhuan) 利，另一方麵用他的方案去向軍(jun) 方申請經費30萬(wan) 美元。

　　有了經費以後，古爾德就開始了激光器的研製。他把自己關(guan) 在寓所裏，苦思冥想激光器的研製問題，最終認識到必須要用法布裏-珀羅諧振腔才能產(chan) 生相幹光。他對諧振腔也進行了理論推算。雖然沒有湯斯和肖洛的理論嚴(yan) 謹，但思路卻更廣。

　　於(yu) 是他把整理出來的東(dong) 西抄在實驗室用的筆記本上，標題就是“Laser（Light  Amplification by  Stimulated  Emission of  Radiation）”，  然後他跑到一家煙雜店，請店主作公證：在裝訂好的九頁紙上簽名蓋章，古爾德自己也在上麵簽了字。作為(wei) 報答古爾德還在此店買(mai) 了一條香煙。

　　1958年，在一次學術會(hui) 議上，古爾德亮出他在1957年的筆記本上的標題：Laser。這引起了會(hui) 議主席阿瑟·肖洛的反對，但大多數與(yu) 會(hui) 者認為(wei) 湯斯和肖洛的“光學Maser”叫法別扭，並且不符合邏輯，怎麽(me) 既有光學又有微波？於(yu) 是把這種器件叫做“Laser”，這就是英文“Laser”形成的由來。

　　“激光”這個(ge) 中文名詞，不是譯音，也不是外來語，在我國造出第一台激光器之後的頭幾年，也沒有這個(ge) 詞，當時人們(men) 把 “Laser” 稱之為(wei) “量子放大器”“萊塞”“光受激發射”等等，但大家都感到很繞口。

　　1964年10月，中國科學院長春光機所主辦的《光受激發射情報》（其前身為(wei) 《光量子放大專(zhuan) 刊》）雜誌編輯部致信我國著名科學家錢學森，請他為(wei) Laser這種新光源取一個(ge) 中文名字。錢學森教授很快便回信並建議：“光受激發射這個(ge) 名詞似乎太長，讀起來費事，能不能改稱為(wei) 激光？”

錢學森資料圖（圖片來源：視覺中國）

　　同年12月，上海召開第三屆光量子放大器學術會(hui) 議，這次會(hui) 議由著名科學家嚴(yan) 濟慈主持，會(hui) 上討論了激光器的取名問題，正式采納了錢學森的建議，將“通過輻射受激發射的光放大”的英文縮寫(xie) Laser正式翻譯為(wei) “激光”。隨後，《光受激發射情報》雜誌也改名為(wei) 《激光情報》。此後，便有了“激光”這一名詞。

　　中國大陸以外的華人世界，有把“Laser”翻譯成“鐳射”的，音是近了，但卻使人誤解與(yu) 放射性鐳有關(guan) 。

　　“最亮的光”“最快的刀”和“最準的尺”

　　自1960年激光器發明後，激光因其亮度極高、能量極大、顏色極純和方向性好這四大特性，在日常生活中，比如照明、切割、醫療、軍(jun) 事上得到了廣泛的應用，被人們(men) 譽為(wei) “最亮的光”“最快的刀”和“最準的尺”，成為(wei) 20世紀具有標誌性意義(yi) 的技術進步之一。

（圖片來自網絡）

　　激光最大的用途可以說是運用於(yu) 光纖通信了。大家知道，人類要想實現光通信，必須解決(jue) 兩(liang) 個(ge) 難題：一是要有一個(ge) 好的符合要求的光源，二是要有一個(ge) 穩定又理想的傳(chuan) 輸介質。梅曼發明激光器之後，一種新的光源——激光就誕生了。由於(yu) 這種光源具有良好的特性，亮度高、方向性好、單色性好，可以用來作為(wei) 光通信的載波，這在很大程度上解決(jue) 了過去很長時間裏一直困擾研究人員的光源問題，使得長期停滯不前的光通信揭開了新的一頁。

　　光纖通信是指攜帶信息的光波（通常是激光），以光導纖維為(wei) 傳(chuan) 輸媒質的光通信。光纖通信具有許多特點，主要體(ti) 現在“大”“好”“省”“長”“遠”等方麵。“大”即通信的容量大，從(cong) 理論上講，利用隻有頭發絲(si) 細的一對光導纖維可以同時傳(chuan) 送20億(yi) 路電話和1000套電視節目。“好”即通信質量好，保密性能好，在光導纖維中傳(chuan) 播的光既不向外漏泄，也不發生幹擾。“省”能節省大量昂貴和稀缺的有色金屬，光纖是由天然石英經過高度提純後拉製而成，成本低廉。“長”即使用壽命比較長，光纖線路典型壽命是25年，比衛星壽命還長。“遠”即直通距離遠，光波在光導纖維中傳(chuan) 輸，能量衰減較小，而沒有中繼器的直達通信距離僅(jin) 為(wei) 10公裏以上。                        

　　激光還可以運用於(yu) 測量領域。測量是一項極其重要的活動，能測到更細微的領域，也就能發現新的世界。

中國科學院實現國內(nei) 首次月球激光測距（圖片來源：中科院雲(yun) 南天文台）

　　我們(men) 可以利用X射線激光來揭開蛋白質的神秘麵紗。通過X射線衍射法可間接地研究蛋白質晶體(ti) 的空間結構，幫助人們(men) 從(cong) 原子的水平上了解物質。             

　　2018年諾貝爾物理學獎獲得者，美國物理學家阿瑟·阿斯金（Arthur  Ashkin），他的成就就是光學鑷子在生物係統中的應用。有了光學鑷子，我們(men) 就有了更好的測量工具，在不接觸被測物體(ti) 的情況下，可以三維立體(ti) 地觀察極細微的物體(ti) ，這些物體(ti) 可以是沒有生命的分子，也可以是構成生命基礎的蛋白質和DNA。依靠這項技術，我們(men) 可以更加深入地揭開生命的奧秘。

　　利用激光方向性好的特點，我們(men) 可以把激光運用於(yu) 醫療。激光手術以激光代替傳(chuan) 統手術器械，對生物組織采用分離、切除、焊接、打孔等手段來去除病灶，吻合組織、血管、神經等。由於(yu) 激光是聚焦非常精準的高能量單色光束，因此激光手術具有許多獨特的優(you) 勢，比如對周圍正常組織損傷(shang) 很小，並且止血快，止血效果好，甚至有望達到手術中極少出血或無出血的效果。手術後，傷(shang) 口愈合快。

激光手術（圖片來自網絡）

　　2018年諾貝爾物理學獎的另一半獲獎者則是熱拉爾和唐娜，兩(liang) 位科學家提出了製造高強度、超短波脈衝(chong) 激光的方法，即他們(men) 製造出了超強脈衝(chong) 激光。通過這種超強度脈衝(chong) 激光，我們(men) 可以把它用於(yu) 眼科改善近視的治療，用這種超短波激光做手術好處很大。

　　未來，激光還可以用於(yu) 驗證真空的量子電動力學效應。按照經典的物理描述，真空通常被認為(wei) 是一個(ge) 完全空白的空間，但是根據量子電動力學的原理，實際上真空中充滿了不斷出現又不斷消失的虛粒子。它能不斷地產(chan) 生正物質和反物質，真空不是空的。利用超高強度的激光，我們(men) 可以開啟對真空的探索之旅，在超強激光的光場作用下，真空變成了有東(dong) 西存在的空間，因此通過激光可以來驗證真空的量子電動力學效應。當然前提必須要有一個(ge) 超高強度的激光器。

　　激光應用：飛入尋常百姓家 

　　激光走進了人們(men) 的日常生活，同時也加速了人類社會(hui) 前進的步伐。除了軍(jun) 事應用，激光也有望在人們(men) 日常生活和工作中扮演更加重要的角色，例如激光電視等。

　　一架空軍(jun) 戰鬥機搭載高能激光器的藝術想象圖。

（插圖：Nicholas Violoa/Infoscitex/USAFRL）

　　什麽(me) 是激光電視？激光電視是采用激光光源，並配備專(zhuan) 業(ye) 抗光增益屏來收看廣電節目，點播互聯網內(nei) 容的第四代電視。

　　相比於(yu) 第一代黑白電視、第二代彩色電視、第三代數字電視，經過三次技術的迭代，激光電視將使用激光光源的數字光處理（DLP）技術和電視技術結合形成第四代電視顯示技術。其中DLP技術還於(yu) 2015年榮獲奧斯卡科學技術獎。

激光電視（圖片來源：視覺中國）

　　激光電視的工作原理其實很簡單，光源采用極高功率的激光光源，如紅、綠、藍三基色固態激光器，或單色固態激光器激發熒光粉發光光源，或用固態激光器結合LED作為(wei) 係統基色或混色光源，在每平米聚集了超過100瓦的光能量。激光器發射出特定波長的光線，光線經過光束整形或經過顏色轉換後，進入成像係統。成像係統一般對光源所發出的光線進行整形，並且采用DLP技術或LCOS技術（一種采用有源點陣反射式液晶顯示技術）進行微顯示及圖像顯示。

激光電視工作原理（圖片來自網絡）

　　激光電視必須有一個(ge) 高速旋轉的熒光粉色輪，在色輪上分段塗上不同顏色的熒光粉，當色輪高速旋轉的同時，就可以實現不同基色光的發射。