激光器是一項偉大的發明，它向人類提供了一種非同尋常的新型 光源，它的亮度甚至比太陽還髙億倍。一般探照燈照射的距離只有1千米左右，而激光可以照亮距離我們38萬公里的月球；它的單色性和相干性也異常的好 ,單色性比先前有單色性之冠的氪-86燈還高萬倍， 它的相干長度達幾公里，而其他光源最長的也只有38厘米 。因此，利用激光能夠解決許多之前無法解決的問題。

激光器發明背景

一項發明的產生往往源于兩方面的推動力：一是物理規律內部的探求，二是社會實踐的需求。

波長越短的電磁波，單位時間 內能夠傳送的信息越多。光波的波長只有微波的萬分之一，在單位時間內能夠傳送比用微波多近萬倍 的信息，或者說用同樣功率的光波將信息傳送的有效距離比用微波延長近萬倍。然而 ,1960年代前，光學探測系統的性能明顯不如微波系統 ，比如光雷達的探測距離就遠小于微波雷達，主要原因是其使用的光源亮度不高。

光學測距機可以做到快速、準確的測量。炮兵部隊一般都需要配備光學測距機，如我國云南光學儀器廠在抗日戰爭時期生產了1萬多臺光學測距機，配合炮兵部隊有力地打擊、消滅敵人。但是受光源亮度的限制，它的最大測量距離大約只有3 0千米。要測量更遠目標的距離，就需要亮度很高的光源。

現代科學技術研究和工業生 產都涉及長度的精密測量，用光波長做尺子 ,理 論 上 測量精度可達0.005微米。但由于實際使用的光 源其相干性和單色性比較差，實際測量精度遠低于這個數值。

照相術雖然能夠把景物、人物等的影像逼真地記錄下來，但是 ， 照片上顯示的只是某一個側面的影像，看不到事物的整體。這是因 為照相時漏掉了一項重要信息，即光波的位相。我們知道，光波包含 振幅和位相兩個參量：振幅反映光的強弱,位相反映方位。把光波這兩個參量都記錄下來，就能夠完全 記錄光波攜帶的信息，這時候通過照片就能夠看到三維影像了?；谶@個道理，1948年 ，英國科學家蓋伯 （D. Gabor) 發明了一種新型照相術—— 全息照相。但是 ，蓋伯提出 全息照相后很久未能實現，因為要 實現全息照相，必須要有相干性很 好的光源。

然而，要想大幅度提髙光源的 亮度和相干性幾乎是不可能的，根 本原因是光源內的各發光原子的 發光行為沒有受到制約，即它們主 要是自發輻射躍遷。愛因斯坦在 1917年發表的“關于輻射的量子理 論 ”論 文 中 提 出 “受 激 發 射 ” 的 概 念 ，利 用 受 激 發 射 躍 遷 能 夠 使 各自獨立輻射的分子、原子受到約 束 ，讓它們都發射相同波長的光輻 射 ，而且都是朝 一 個 方 向 發 射 ，這 樣就可大幅度提高光源的亮度和 相干性了。

美國科學家湯斯（C. Townes) 曾接受研制波長為厘米級的微波 振蕩器的任務，但是利用傳統的制 造方法顯然無法完成任務，于是他 決定嘗試利用愛因斯坦的受激發 射原理制造這種微波振蕩器 ,1954 年 4月他終于研制成功以受激發射 過程為主的新型微波輻射源，并命 名 為 “微 波 激 射 器 ”，它發射單一 頻率的、相干性非常好的微波。微 波激射器的成功給人們研制高亮度 、高相干性和單色性光源指出了 方向。1958年湯斯與同在貝爾實驗 室的研究員肖洛（A. Schawlow) 合 作 ，對光學激射器進行了細致研究 分析，研究結果發表在 1958年 12月 美 國 《物理評論》（Phys.Rev.）) 雜 志上。該論文論證了制造光學激 射器的可行性、光學激射器的設計 原理 ,并給出了光學振蕩條件以及 理論計算結果。肖洛和湯斯的《紅 外 與 光 學 量 子 放 大 器 》論文發表 后，世界上幾個實驗室的科學家便 著手研制激光器，經過兩年時間的 努力 ,終于在 1960年5月，美國休斯 ( Hughes) 公 司 實 驗室的梅曼（T. Maiman) 采用紅寶石晶體做發射 激光的材料 ,用氙閃光燈做泵浦光 源,觀察到了激光輻射；同年7月，休 斯公司在美國紐約舉行新聞發布 會 ，向社會公布 梅 曼 的 實 驗 結 果 ， 宣布研制成功世界第一臺激光器。隨后 1961年9月，我國也研制成功國內第一臺激光器。

梅曼研制成功的激光器給人 類展示出一種光子簡并度大于 1的 相干光源，它必將引起光學技術革 命 ，意 義 非 同 凡 響 ，各國科學家們 紛紛積極開展激光器的研究工作， 經過 6 0年的發展，現在制成的激光 器估計有4萬多種，其中包括使用不 同物質形態（如固態的、氣態的、液 態以及自由電子的）材料做激光工 作物質的；輸出激光形式為連續的 或者脈沖的；輸出激光波長在不同 波 段 的 （X射線波段、紫外波段、可 見光波段、紅外波段以及遠紅外波 段 ）；激光器尺寸和輸出功率為大 型的或微型的等。

常用的激光器主要有：1961年 研制成功氦 -氖氣體激光器 ,1973 年研制成功C0 2分子 激 光 器 ,1970 年 代 和 1980年代分別研制成功連 續高功率橫向快速流動和軸向快 速流動激光器，連續輸出激光功率 高 達 幾 萬 瓦 ，主要用于工業生產；1 9 6 0年代研制 成 功 Nd: YAG激光 器，1970年代研制成功半導體激光 泵浦的高功率激光器，能量轉換效 率獲得大幅度提高；1970年代研制 成功光纖激光器，1980年代研制成功高功率輸出的雙包層高功率光 纖激光器，連續輸出激光功率達萬 瓦 ；I960年代研制成功半導體激光 器 ；1970年代研制成功異質結半導 體激光器 ,1980年代研制成功量子 阱半導體激光器，1990年代研制成 功GaN基多量子藍光半導體激光 器 ，現在制造出用于工業應用的高 功率半導體激光器，輸出激光功率 可 達 幾 萬 瓦 。大型激光器輸出激 光功率巨大，占地面積也大，可達足 球場那么大，其典型代表是拍瓦激 光器，1996年建在美國利弗莫爾國 家實驗室的諾瓦（Nova) 激光裝置 是世界上第一臺大能量拍瓦激光 裝 置 ，輸出激光峰值功率 1.3拍 瓦 ， 聚焦后產生的功率密度接近10^21瓦/ 厘米^2。

在 激 光 器 “家 族 ” 中，半導 體 激 光 器 體 積 最 小 ，重 量 也 最 輕 ， 1977年科學家研制成功的垂直腔 面 發 射 半 導 體 激 光 器 （又稱微型 半導體激光器 ),整個激光器尺寸是 幾 微 米 ，在一平方厘米面積上可以 排 布 100萬只激光器。這些激光器 是采用分子外延技術，把半導體材 料一層一層地疊加起來制成的。

激光開創科學新領域

由于激光器的出現，大大擴展 了物理學、化學、生物學等學科的內涵，并誕生了多種新學科，如非線性 光 學 、瞬態光學、強激光物理學、激 光化學、激光生物學等，對高新技術 與交叉學科領域的發展起著重要 的推動作用。

1.激光非線性光學

激光與物質相互作用出現了先 前曾經設想過、但始終未實現的光 學 現 象 ，也出現了先前沒有想到的 光學現象。1961年美國的弗蘭肯（P. A. Franken) 和他的同事們把紅寶 石激光器發出的波長694.3納米、能 量 3焦 耳 、脈沖寬度 3毫秒的激光脈 沖通過石英晶片時，觀察到一種新 現 象 ，在透射光束中除了出現原先 紅色的激光外，還觀察到了一束新 光 束 ，它的波長為 347.15納米的紫 外光，其波長剛好是人射波長694.3 納米的一半（即頻率加倍)，他們把 這個現象稱為“光倍頻”。

此后的一些實驗還發現除了發 生頻率加倍的光波外，還會發生頻 率三倍、四倍和五倍甚至幾十倍的 光波。這樣一來，利用這個頻率變 化 現 象 ，我們便可以借助能量轉換 效率比較高的紅外激光器，獲得紫 外 波 段 ，甚至是X射線波段的相干 光。此后，科學家在利用激光器做 光源進行的光學實驗中又先后觀 察到另外一些新型光學現象，如光 學 混 頻 （兩束光頻率不同的激光束或者其中一束為普通光源的光束， 它們通過介質時出現頻率相加或 者相減的新光束 )、光學自聚焦和自 散 焦 （一定強度的激光束通過介質 時發生會聚或者發散)、光學飽和吸 收 （激光束通過介質時其光學吸收 系數隨著激光強度增大而減小)、受 激 光 散 射 （物質在強激光作用下產 生 具 有 激 光 特 性 的 光 散 射 ）、瞬態 相干效應（物質在短脈沖強激光作 用下，在小于物質內部縱向及橫向 弛豫時間的時域范圍內所發生的光 學現象，諸如光子回波、光學自由感 應衰減、光學章動、自感應透明等)、 光束自陷（短脈沖強激光束進人介 質自聚焦到最小尺寸后，保持細長 絲狀在介質中繼續傳播）等，上述 這些光學新現象基本上是在 1960 年代發現的，它們在使用普通光源 時均未出現過。美國科學家布隆 伯 根 （N. Bloembergen) 對這些新 型光學現象作了嚴格的理論分析， 并奠定了一門新型光學學科，即非 線性光學的理論基礎，他的杰出貢 獻贏得了 1981年諾貝爾物理學獎。

2.激光瞬態光學

一些物理變化過程、化學變化 過程和生物變化過程經歷的時間 都非常短暫，時間尺度是皮秒量級， 甚至飛秒量級的。比如，視覺系統 中的分子異構化、DNA中堿基對的 光修復及質子傳遞、化學反應中的 光 解 離 、光合作用功能體中的光物 理過程等，其間經歷的時間尺度就 非常短，因此我們往往只知道其變 化開始時刻和結束時刻的物質狀 態、物質成分和物質結構，對于其間 產生過什么中間狀態和物質成分， 又是怎樣一步步到達最終穩定狀 態的并不十分了解，若能夠準確地 測 量 、了解這些超快過程，將能得 到有關這些過程機制極其豐富的 信 息 ，這 些 信 息 對 物 理 學 、化學和 生命科學的發展十分重要，比如農 作物是靠光合作用過程把太陽光 能量轉換成自己生長發育的養分， 它 被 譽 為 “世界上最重要的化學反 應 ”，但整個反應過程經歷的時間 大約只有百億分之一秒。因為其經 歷的時間實在太短，即使利用研究瞬態現象的高速攝影技術也無能 為力，于是長期以來都不完全清楚 光合作用的具體過程。科 學 家 說 ， 假如對光合作用過程每一步都了 解 ，就可以找到一些辦法控制其中 某一步的行進方向，來提高光合作 用的效率，調節農作物生長發育的 生理過程，改善其對環境條件的適 應能力 ,這是一件非常重要的事情。有了激光技術，現在可以探測記錄 各種瞬態過程了。

激 光 技術探測瞬態過程的手 段 主 要 有 ：用 短 脈 沖 激 光 光 束 探 測瞬態變化過程，用時間高分辨率 激 光 光 譜 探 測 瞬 態 變 化 。美國加 州 理 工學院科學家澤維爾（A. H. Zewail) 在 1 9 8 0年 代 末 用 飛 秒 激 光做高速攝影的光源，拍下快速化 學 反 應 過 程 的 “慢鏡頭”照片，顯 示了化學反應的瞬變過程，實現了 減慢時間步伐的夢想，為此他獲得 了 1 9 9 9年諾貝爾化學獎。用一個 超短激光脈沖人射到進行測量的 物 質 ，將它們的原子、分子 體 激 發 到指定的能態，或將它們特定的某 種運動變化微觀步驟有選擇地進 行引發，隨后用另一超短脈沖激光 在不同延遲時間之后通過這些物 質 ，“跟 蹤 ”探測物質在各瞬間的 吸收光譜信號或者散射光譜信號， 或者發射的熒光光譜信號 ,便可知 道物質在此瞬間所呈現的狀態，綜 合不同瞬間的光譜資料，便可揭示 物質有關微觀過程的動態學規律， 大大豐富了人類對自然世界的認 知。

激光建立極端實驗條件

所 謂 極 端條件是指在地球上 用通常手段難以實現的某些物理條 件，如極端低溫、極端高壓、極端高 溫等，在這些極端條件下的物質，其 形態、物態會出現異常的變化。

1.建立極端低溫，造出第五、第六態物質

能夠獲得絕對溫標溫度 1開以 下超低溫方法主要有 3種 ：磁制冷、 稀釋制冷和激光制冷。目前磁制冷 技術獲得的最低溫度是（1~5) x 10^-3 開 ,稀釋制冷技術能獲得 1.8x 10^ -3開，激光制冷技術能達到 5 x 10^-6開 的極端低溫 ,科學家正是借助于激 光制冷技術造出了新物態物質。根 據形態可將物質簡單地劃分為 6大 類，它們依次是固態、液態、氣 態 、等 離子態、玻色-愛因斯坦凝聚態和費 米 子 凝 聚 態 ，其中前面 4 類物態物 質已經很常見，而后面兩種需要在 接近絕對零度、同時又避免發生凍 結的低溫條件下才會產生，因此直 到激光制冷技術成功產生極端低 溫才能辦到。1 9 9 9年 ，美國科羅拉 多州美國標準技術研究所的康奈爾 (E. A. Cornell) 和科羅拉爾大學實 驗天體物理聯合實驗室的維曼（C. E. Wieman) 使用激光制冷技術成 功獲得銣原子玻色 -愛因斯坦凝聚 態物質，美國麻省理工大學凱特勒 ( W. Ketterle) 成功獲得鈉原子玻 色 -愛因斯坦凝聚態物質。這三位 科學家在制造新物態物質領域做出 了杰出貢獻，共同獲得了2001年諾 貝爾物理學獎。2 0 0 4年 1月2 9 日，他 們又宣布，借助激光制冷技術成功 獲得了鉀原子費米子凝聚態物質， 即創造出第六態物質。

2 .建立超高壓、高溫條件，研究 核聚合反應

物質在高壓下會發生許多有趣 的物理現象。在外來壓力作用下 物質的體積收縮，同時其自由能發 生改變 ;物質也會發生結構形態改 變，本來是液態的物質會凝固結晶；非晶態物質的晶化規律可能改變；原為晶體的物質，可能發生晶體結 構或電子結構的變化。在很高的壓 力作用下,半導體、絕緣體乃至分子 固體氫可能成為金屬態等。利用爆 炸 、強放電和高速運動物體沖擊等 產生沖擊波 ,在瞬間可產生超高壓 力。利用聚能爆炸產生的沖擊波目 前可產生 5 x 10^6個 大 氣 壓 的 壓 強 ， 但是它不容易控制 ,而且持續時間 短 ；用機械加壓方式擠壓物體，使 其因被壓縮而產生超高壓 ,然而實 際上獲得超高壓并非易事。利用激 光能夠產生很高壓強 ,2000年中國 科學院上海光學精密機械研究所 的神光裝置n輸出的激光在靶面產 生的壓強就高達3.7 x10^12帕斯卡，是地球中心壓強的1萬多倍，在如此極 端高壓作用下，原子核之間的距離 可能小到10^-13厘 米 ，此時原子核不 是按通常的同性電荷相排斥性質， 而是轉為相互吸引，將會發生核聚 合反應，釋放核聚變能?？茖W家認 為，核聚變能將是人類用之不竭的 能源，而且是清潔、環 保 、安全的能 源。

同樣的，物質在超高溫條件下 也 會 產 生 種 種 物 理 新 現 象 。大部 分分子在溫度10^4開時都會離解成 原子，在溫度10^5開時大部分原子都 會發生電離，而原子核在溫度10^10開 時大部分會離解成質子和中子。在 地球上的實驗室里，高溫通常是用 電學加熱，或 者 用 化 學 燃 燒 （如火 焰 ）產生的熱量而獲得。要獲得高 的溫度，需要使用加熱能力很強的 電學或化學手段，而這種能力受物 質本身和加熱技術的限制。還有一 個基本困難是，熱物質會產生熱輻 射 ,而且輻射量隨著它的溫度呈 4 次方增長。如溫度升高1倍 ，熱輻射 損失能量增加 16倍 ，所以需要提供 給物體的熱能將是巨大的，這必然 制約了能夠獲得的溫度最高值。現 在 ，科學家采用激光技術能夠把原 子加熱到很高溫度，1985年中國科 學院上海光學精密機械研究所的 激 光 12號裝置輸出的激光束就能 夠把物質加熱到上千萬攝氏度，比 地球中心溫度還高萬倍，與太陽中 心的溫度相當。

激光開創新技術

為 適 應 科學技術和生產技術 的需要，科學家們利用激光的特點 開發了許多新技術，諸如激光光鑷 技 術 、激 光 精 密 計 量 測 量 技 術 、激 光 照 排 技 術 、激 光 全 息 照 相 技 術 、 激光信息存貯技術、激光推進技術 等。

1 .激光光鑷，生物系統研究精 準手術工具

鑷 子 靠 物 體 之 間 的 摩 擦 力 將 物體夾住，以實施各種操縱。利用 激 光 能 夠制造出另類鑷子—— 光 鑷,它是一把無形的鑷子，它操縱微 粒不是靠機械力或者物體之間的摩擦力，而 是 靠 激 光 束 形 成 的 “光阱”。

會 聚 的 激 光 束 在 光 束 傳 播 方 向上和與之垂直的平面上將形成三 維梯度力—— 光阱 ,落在其中的原 子、微粒將被它捕獲，并被囚禁在光 阱中心。移動光阱中心，便可以移 動被捕獲的原子、微 粒 ；或 者 說 ，利 用光阱力可以操縱原子、微 粒 。基 于這個原理，1986年美國AT& T貝爾 實驗室科學家阿斯金（A. Ashkin) 發明了一種利用一束激光就能夠 在空間三維控制微粒運動的裝 置—— 光鑷。因為光束對原子以及 微粒不會構成機械損傷，所以光鑷 操縱是無損傷操作，這是一種十分 珍貴的特性 ,特別是在生物學研究 領域中，可以用于研究單個細胞和 生 物 大 分 子 的 行 為 。比如利用光 鑷可以分選生物粒子或細胞，使兩 個或多個生物粒子相互密切接觸， 便于研究觀察它們之間的相互作用 等 ；也可以捕獲單個活細胞并在細 胞 內 操 縱 細 胞 器 。利用光鑷還能 進行染色體切割與分選、細胞轉基 因操縱、微型手術等精細操作，在動 植物基因工程、農產品改良育種等 領 域 有 著 重 要 的 應 用 價 值 。阿斯 金因為發明激光光鑷及其在生物 系統中的應用，獲得了 2018年諾貝 爾物理學獎。

2 . 測量微尺寸，突破阿貝分辨 率極限

在微觀世界中有許多非常微小 的粒子、微 生 物 （諸 如 細 胞 、細 菌 、 病 毒 等 ),我們借助各種電子儀器、 光 學 儀 器 （如光學顯微鏡、電子顯 微 鏡 等 ）觀測它們，了解它們的運 動狀態和結構，并測量它們的細節 尺寸?？茖W家用一個稱為分辨率的物理量衡量這些儀器的觀測能力， 分辨率高意味著儀器的觀測本領 髙。隨著科學的發展，研究諸如細 胞內分子尺度的動態和結構特征、 病毒如何侵犯細胞、藥物怎樣發揮 作 用 、傳遞物質怎樣從一個神經細 胞到達另一個神經細胞等問題，要 求顯微鏡分辨率至少達到 100納米 級別。然而，顯微鏡的分辨率是存 在極限值的，以光學顯微鏡來說，其 分辨率大約是照明光波長的一半， 這是 1873年德國阿貝（E. Abbe) 根 據光的衍射效應得到的阿貝分辨 率極限，以波長在可見光波段、波長 為 400~700納 米 的 光 照 明 時 ，其分 辨率大約為 3 0 0納 米 ，顯然達不到 100納米要求。現在利用激光技術 就能夠突破阿貝分辨率極限了。

美國科學家白茲格（E. Betzig) 基于激光技術，提出了光激活定位 顯微鏡技術（PALM) 概念，找到了 超越阿貝分辨率極限、提高光學顯 微鏡分辨率的辦法，并發明了一種 超越阿貝分辨率極限的光學顯微 鏡。他用低強度、波長405納米的激 光照射帶有熒光蛋白的生物樣品， 通過調節 4 0 5納米激光能量，使一 次僅激活出在視野下稀疏分布的幾 個熒光分子 ,通過高斯擬合來精確 定位這些熒光單分子。在確定這 些 分 子 的 位 置 后 ，再使用波長 488 納米激光照射它們 ,漂白這些已經 定位的熒光分子，使它們不會被下 一輪的激光照射再激活發射熒光。之后再分別用波長 4 0 5納米和 488 納米激光激活和漂白其他熒光分 子，如此循環這樣的激活-漂白操作 多次后，生物樣品中所有熒光分子 都被作了精確定位 ,然后將這些熒 光分子的圖像合成到一張圖片上， 就得到一張整個生物樣品的納米 量級分辨率圖像，突破了阿貝分辨 率極限。白茲格因為在超越阿貝分 辨率極限的顯微鏡方面做出了杰出 貢 獻 ，獲得了 2014年度諾貝爾化學 獎。

3 . 激光照排印刷，漢字印刷第 二次技術革命

人類從幼兒時就開始接觸書 和報紙，從中獲得科學技術和文化 知識。因此，印刷出版物的品種和 數量，在一定意義上是一個國家或 者一個時代科學文化繁榮的重要 標志之一。傳統的圖書報紙是用鉛 字印刷，工人需先用火熔化金屬鉛， 然后再鑄成一個個鉛字按文稿順 序排版，因此這種印刷技術離不開 “鉛”與 “火”,它不僅能源消耗大、勞動強度高，還存在環境污染，影響身體健康，而且工作效率低，一本書 的出版周期長。1978年 8月，北京大學王選教授利用激光技術和電子 技術成功地研制出“華光型計算機 激光漢字編輯排版系統”，它把每 一個漢字編成特定的編碼存儲到計算機 ，輸出時用激光束直接掃描 成字 ,革新了傳統印刷工藝。從此 漢字告別鉛字印刷 ,進人漢字印刷 技術新歷史時期。讓漢字文明、印刷技術跟上了世界信息化、網絡化 的步伐。

漢字激光照排的工作效率高、 版面靈活、字庫齊全，成為出版印刷 行業技術中的主力軍。使用漢字激光照排系統不但消除了鉛毒污染、 降低了能耗，而且圖書出版周期大幅縮短。

激光開創未來

地球正面臨生態環境惡化，各種資源包括糧食、飲用水 、礦產、能源等短缺的挑戰，同時還會遭遇小行星碰撞地球的威脅?？茖W家認為，借助激光技術，能夠協助人類更好地監測和治理環境污染 ,探測和 開發利用太空資源、海洋資源、信息資源和食物資源等 ,激光技術也是防御小行星碰撞地球的重要手段之 一?？茖W家已經在研究借助現有的航天技術和海洋技術，利用激光高分辨率 、高靈敏度分析技術探測太空和海洋資源的種類、品質和分布， 并研究以激光推進動力的激光飛船 ，有 望將人類快速 、安全地送達各個星球，就像在地球上往來于各個城市那樣便利，實現廣泛開采利用太空礦產資源的愿景。