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从物理学角度看激光的发展

时间：2011-12-31 22:44:22  来源： 打印本文

从物理学角度看激光的发展

2005/11/18/12:4    单从激光物理方面看，自从激光问世以后，我们首先认识到所有无线电里面出现的现象在光学里面都能出现。在这个基础上就形成了所谓的非线性光学。过去我们搞光学，由于光源不够强，在光与物质的相互作用上只见到它的线性效应，自从激光问世以后，由于它的强度，它与物质相互作用时出现这样的效应，对了解物质的性质前进了一大步，更能够了解到物质结构中场同电磁辐射作用的关系，也对物质结构本身有了更多的了解。因此，激光的长足发展也促成了一些物理上的新学科。有些学科是与光学密切相关的，比如全息术、激光光谱学。因为激光的特性，对物质研究的细致程度、深入程度与以前大不相同了。特别是对非线性材料，从激光应用方面提出了各种不同的要求，向材料科学提出了许多新的问题，形成了除探索各种新的激光工作物质外，更重要的是探索许多新的非线性材料。这方面我国在世界上有很高的地位。

    另外，在应用方面，一个非常重要的问题，涉及到物理学最根本的一个问题就是测量的基准。自从激光问世以后，能得到非常窄的光谱线。现在的长度基准是以在某种条件下产生的单纯的激光谱线作为工作基准。长度单位为1m的定义是光在真空中1s所走距离的299 792 458分之一，这是个绝对的定义。这个绝对定义所以能形成，是从激光的研究中认清楚了这是自然界的一个常数。用激光的波长作为长度测量的基准，而且这个基准的再现度可达到10-11～10-12。可以这样设想，10-10的含义相当于1m长的尺度，两头多（或少）一层原子。而现在的再现度和精确度可以在此尺度上深入到一个原子尺寸的十分之一到百分之一。因此，在科学定义上的确切性就更加提高了。又比如过去大地测量靠经纬仪三角法，自从用激光测距以后，整个测量技术发生了革命。现在从小型工程到大地测量都用激光测量。今天通过空间的测量（人卫测量），可以更好地了解地球的重力等势面的形状，大大完善了地球重力场模型，激光测量技术使全球范围的定位精度大为提高。

    另一方面，激光这样强的光使一个很好的能源。问题是怎么产生这个能源，怎么利用好这个能源。现在这种激光前沿技术称为“强激光技术”。利用强激光来照射原子核，从原子核中把能量释放出来。这项技术叫作激光核聚变。这种核反应将来可能作为能源。在这方面已做了大量的先期研究工作，初步认为一个脉冲能量达到2×10-5～1×106J数量级就能造成核聚变的连锁反应。大家知道，小型激光器的输出是毫瓦甚至微瓦级，这在信息技术上，在做物理实验上是可以的；但想用到核反应上，则要大8～9个甚至10个数量级。

    两外一个发展方向就是可以把激光脉冲变得很窄。为了捕捉一个物体的快速运动，要用高速照相。普通高速照相达到千分之一秒，而拍照像核反应这种过程起码要到微妙（10-6s）甚至纳秒（10-9s）数量级。假设要研究光与物质相互作用，原子与原子之间、分子与原子之间的快速反应，要观测皮秒（10-12s）数量级内的过程，使脉冲变得更短，力求达到飞秒（10-15s）数量级，这是人类探求的一种欲望。要使脉冲短到可以观测微观物质运动过程，所以超短脉冲激光器的研究是一个重要的发展方向。据我所知，经过这些年的研究，现在脉冲宽度短到6～4fs。平常把光叫作光束，就是光的前后连成一条线。现在纳秒脉冲的光束相当于一把尺子的长度，皮秒（10-12s）光你只看到一个“光片”，等于光的波打了一个滚儿，只有几个波长。现正在追求用几个波长的光脉冲对物质，特别是像核这样的物质进行研究。从这里我们可以看到激光对认识世界所起的推进作用。

    既然激光可以做到千瓦以至兆瓦级，自然就想到武器的问题、加工的问题。现在激光医学，如治疗视网膜脱落，过去是很麻烦的事，用激光焊接就很方便。利用不同波长激光与物质相互作用的选择性，也可以起治疗作用。激光手术也是很有前途的。

    全息术给我们一个很大的启示：普通照相只利用光的强度，能看见图像的轮廓和强度的区别，全息术不仅是记录光的强度，而且能把光束的波前记录下来。正式由于波前再现才能获得立体图像，这个技术同许多新的工业和技术，特别是同光电技术的发展结合，在光学上形成了一门光学信息处理的新学科。今天在实际信息处理上有许多问题借助光学的原理。举例说，微波技术广泛用于遥感的侧视（或旁视）雷达，完全视利用光学的通光孔径同分辨率的关系。在无线电里要实现高分辨率，无限孔径将大到不可想象。但现在采取另一种方式，把空间的分区用时序来代替，实际上用的是光学原理。