第4章 光的时代 激光①
能在钢板上打孔的激光
在第4章，我们来介绍利用光的一些重要技术。已经过去的20世纪常被人们说成是电子技术时代，简称“电子时代”。那么，21世纪就可以说是光子学时代，或者说“光的时代”。
这个光的时代有好几位主角，其中之一就是激光。通常的光源发出的光，比如荧光灯的光，其行进方向、波长以及波峰和波谷的位置都是杂乱无章的（），就像一群人在闲谈。激光是行进方向、波长以及波峰和波谷的位置关系全都完全一致的一种光（），这就好比众人在进行合唱。
激光具有好些优良的特性，比如说，激光可以把“巨大的能量集中于一点”。在上期第18页曾经介绍过，用凸透镜聚焦白色光，由于透镜的折射率随颜色（波长）而不同，所得到的焦点总是模糊的（）。然而激光是行进方向和波长都完全一致的光，因而可以把它集中于非常小的一点※1（）。
激光能够把巨大的能量集中于一点的这个性质，在工业上有很好的应用，例如在汽车制造中已经被用来切割或熔接钢板（）。即使最硬的 矿石金刚石（钻石），利用激光也能够在上面烧蚀出孔洞来。
光碟离不开激光
事实上，激光已经深入到了我们今天的日常生活，例如在读取光碟（CD或DVD）和条形码的装置中，在光通讯设备中，都用到了激光。
例如，我们平时所使用的那种CD或DVD，就是利用透镜将一束功率不大的激光聚焦在这种光碟的记录面上来读出信息（）。这种光碟的记录面上预先以凹凸形式刻录着信息。在光碟转动的过程中，激光照射在凸起部分时，反射光变弱，读取装置便可以根据反射光的强弱变化来读出原来写入的信息。
还有一种用户可以自己刻录信息的可写入光碟（如DVD-R等），在刻录（即写入）时，刻录装置用一束激光照射记录面上的一层由特殊材料制成的薄膜，在照射点产生高温（），改变其结构，使反射率发生变化※2。反射率较小的位置，就相当于上述的凸起。
第4章 光的时代 激光②
产生激光的原理—受激辐射
激光具有许多非常有用的特殊性质，那么激光是如何产生出来的呢？在上期第56页介绍过，暂时处于“兴奋状态的原子”（激发态）不久就会发出光而回到“基态”（）。这种现象叫做“自发辐射”。
暂时处于兴奋状态的原子，如果用光照射它，则会出现一种非常有趣的现象。处于兴奋状态的原子受到入射光的“刺激”，将会发出在波长、排列方式（相位）、振荡方向（偏振方向）和行进方向都完全与入射光相同的光（）。在这种情形，原子就像是被入射光“诱导”而发光。这种现象叫做“受激辐射”。
受激辐射出来的光又会刺激附近处于激发态的原子，诱导后者也发出同样的光。这种受激辐射过程连锁进行，于是就产生出激光。
这个受激辐射的理论是爱因斯坦在他于1916年发表的论文中提出来的。爱因斯坦因提出关于时间和空间的“相对论”而广为人知，其实他在激光理论方面也作出过重要贡献。
激光在两面反射镜之间来回反射而得到增强
实际的激光是按照如下方式利用激光器产生出来的（）。在激光器内，生成激光的物质（在此图解例子中是红宝石）被闪光灯所包围。闪光灯接通电流发出闪光，照射激光物质为它提供能量（），将其中的大部分原子激发到激发态。处于激发态的原子不久返回到原来的基态而发光。这种发光又成为新的刺激，此过程连锁进行，于是便接连不断地发生受激辐射（）。
在激光物质的两端各安装有一面反射镜，受激辐射的光在两面反射镜之间来回反射通过激光物质，多次发生受激辐射，激光物质内的受激辐射光便不断得到放大而被增强（）。激光物质两端的反射镜，有一端安装的是一面能够让一部分光通过的特殊反射镜（半反射镜），得到放大增强的激光就由此反射镜射出。
第4章 光的时代 光纤
实现高速通讯的“光纤”
激光也广泛应用于光通讯领域。用激光的强和弱代表数字信号的“0”和“1”，利用玻璃或塑料材料的“光导纤维”（简称“光纤”）把激光传送至远方，就可以实现长距离的光通讯。
光通讯有一个很大的优点，那就是，只要设法除去玻璃中所含的水分等杂质，降低玻璃对激光的吸收，即使进行长距离传输，激光也不会有太大的衰减。光通讯中所使用的激光是波长为1.2～1.6微米的近红外线（红外线中波长比较短的一端）。这是因为，这个波长范围的红外线，玻璃的吸收最小，最适合用于光通讯。
一般说来，电磁波的频率越高，它在单位时间内所能够传送的信息量就越大，这是因为信息需要搭载在电磁波的频率上传送。在移动电话等无线电通讯的场合，使用的是频率比较低的无线电波。然而在光通讯中使用的是频率比无线电波高得多的近红外线，因此能够实现高速通讯。
最简单的光纤是一种被称为“多模跃变型”的 光纤，它具有一种同心圆的二层结构（）。这种光纤内部的“芯线”是由一种折射率比较大的材料（光速减小程度比较大的物质）制成，外侧的“包层”是由折射率比较小的材料制成。芯线和包层都是透明物质，激光在芯线内反复受到全反射（上期第26页），可以无泄漏地向前传输。
有一种叫做“多模渐变型”的光纤，它的芯线的折射率在中心处最大，向外连续减小，直到包层（）。在这种光纤中，激光不是被全反射，而是像在大气中那样（上期第22页）沿曲线行进，不逸出芯线。
长距离光通讯所使用的是芯线非常细的光纤
上面介绍的这两种光纤，激光在芯线内行进时走的可以是许多不同的路径。尽管光纤的长度相同，沿着不同路径行进的激光所行进的距离却不相同，因而在经过长距离传输之后，沿不同路径行进的激光所到达的时间便会参差不齐。这种情况会导致所传送的信号发生畸变。因此，这两种光纤并不适合于长距离通讯。
在长距离光通讯中使用的光纤是一种被称为“单模型”的光纤（）。这种单模型光纤，其结构与上述的多模跃变型光纤基本相同，但是芯线却要细得多，直径只有5微米左右（1微米等于100万分之1米）。激光在如此细小的芯线内行进，就犹如让一根棍子穿过直径与它差不多相同的一根管子，棍子在管子内没有晃动的余地。射入这种单模型光纤内的激光只能够沿着细芯线一条路径行进。激光在单模光纤内经过长距离传输之后的到达时间不会有差异，因而这种光纤适合于长距离通讯。
第5章 令人惊异的尖端研究 一千万亿分之一秒的闪光
最短的闪光
现代光学研究涉及的领域十分广泛，这里篇幅有限，自然无法作全面介绍。第5章只打算介绍非常有意思的两项最尖端的研究。从这两个例子，你一定会对人类智慧的惊人能力得到深刻的印象。
一个例子是通过研究获得了延续时间极其短暂的“一千万亿分之一秒的闪光”，即“飞秒脉冲激光”。1飞秒等于1千万亿分之1秒。飞秒激光器是一种可以产生出持续时间短到只有1～100飞秒的很强的“超短脉冲激光”的装置（）。脉冲光，意思就是一瞬间发出的闪光。照相机闪光灯发出的闪光，持续时间是微秒量级（1微秒等于100万分之1秒），飞秒级的超短脉冲激光，持续时间则只有照相机闪光灯闪光时间的大约10亿分之1。
光的速度是每秒30万千米（一秒钟能够环绕地球七圈半），已经快得难以想象，可是在一飞秒的时间里，光行进的距离也不过仅有0.3微米（1万分之3毫米）（）。
超短脉冲激光具有广泛的应用前景
在摄影时，利用闪光灯可以抓拍到运动物体在一瞬间的“驻留”图像。同样，利用时间更短的飞秒激光的闪光，甚至可以跟踪看到激烈化学反应快速进行的过程。因此，飞秒激光可以被用来揭示一个化学反应过程是如何具体进行的。
通常，化学反应的进行总会要经过一个被称为“活化状态”的能量比较高的中间状态。这种活化状态虽然早在1889年就由瑞典化学家斯万特·阿里纽斯（1859～1927）提出来了，但是由于存在的时间极其短暂，始终没有能够被直接观测到。在上世纪80年代后期，利用飞秒激光终于证明了这种活化状态的存在。图解示出的就是利用飞秒脉冲揭示的一个化学反应过程的实例。在这个化学反应中，一个环戊酮分子经过活化状态被分解为一个一氧化碳分子和两个乙烯分子。
飞秒激光器是在上世纪90年代研制出来的一种激光器，那以后经过不断改进，体积越来越小，而性能却越来越好，目前已经广泛应用在物理学、化学、生命科学、医学和技术等各个领域，受到人们的极大关注。把超短脉冲激光用于传送信息，可以进一步提高光通讯的传输速度。在人们盼望已久的作为下一代能源的“核聚变”研究中，则有可能把超短脉冲激光用作超大功率的激光来实现对核燃料的“点火”。
下面的人物专访，是Newton编辑部对飞秒脉冲研究的权威、美国麻省理工学院埃利奇·伊彭教授的访谈录。伊彭教授向我们详细介绍了飞秒脉冲激光的应用前景。
……
（更多精彩图片及完整内容请阅览《科学世界》2007年10月号）
