作者: 上海光機所

60年前，人類有了第一束激光

它不僅在軍事上有很重要的應用

而且工業上可用于汽車鋼板的切割

醫學上可用于做激光手術

通信上可以加快信息的傳遞

生活上可帶來豐富多彩的激光表演

......

一束小小的激光竟然有如此多的功能

今天我們就跟隨中國科學院的李儒新院士

了解一下激光和它背后的故事

李儒新

中國科學院院士

中國光學學會副理事長

（以下為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臺激光器，中國的第一臺激光器比美國的第一臺激光器晚了一年多，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，這個就是我們國家第一臺激光器的復制品，兩邊是激光器的最基本的一個單元的組成，就是它的兩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國家負責科技方面的最高領導人，他向毛主席匯報了激光的研究和應用的一些進展情況。毛主席就有一個即時講話，在1963年12月16日，所以這是我們中國的激光發展史上值得記住的一個重要的一天。

毛主席說死光，因為當時并沒有激光這兩個詞，激光這兩個詞是1964年，后面由錢學森提出的建議名字，當時因為只有英文LASER，所以我們國家把它叫死光，毛主席說死光要有一小批人專門去研究它，吃不了飯不干別的，專門研究它。

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詞的縮寫。那么我們現在把它稱為激光，它是有內涵的。而我們的臺灣同胞就直接把英文的LASER翻譯成鐳射，所以它是一個音譯。因此現在我們大陸用的激光翻譯它是個意譯，它是比較準確的把激光的工作原理的基本的內涵給它點明了，它是個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，給人類的生產生活帶來了巨大的變化，它有很多方面的應用。給大家舉一些例子，比如說最早的名稱叫死光，是因為它可能在軍事上有很重要的應用，在工業生產上面，它可以用于汽車鋼板的切割，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，我們之所以能夠互聯網上面沖浪有快速的信息的傳遞的容量，就是因為用了激光作為信息的載體。另外在生活的很多方面，比如說它可以用來做激光表演，激光音樂、激光電視等等，都為我們的生活增加了很多樂趣。

這是因為激光不同于其他光源，它具有單色性、相干性、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只有激光。

我先給大家講一講我們家里常用的燈泡，白熾燈的發光原理，白熾燈發光原理就是電流通過鎢絲，變為加熱的鎢絲，鎢絲溫度升高，它就發出光。所以大家有時候看到快要壞掉的燈泡，眼睛可以看到鎢絲里面變紅的過程，然后它就斷掉了。

那么我們人因為體溫是37（攝氏）度，我們也可以發出光，但是37（攝氏）度發出的光，波長我們看不見光，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的，這是一種光源。

我們再來看一看，現在家里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里面的氣體，（釋放的紫外線）去轟擊管壁上鍍的白色的熒光粉就會發出光，效率會比剛才的加熱鎢絲發出的光的從電到光的轉換效率會更高，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會，看體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。但是在熒光棒里是一個化學反應過程，當我們彎曲熒光棒的時候，就會引起其中的一些化學反應，那么這個化學反應就會使熒光分子的能級從低能跳到激發態高能級，那么在高能級的熒光分子，它會在一定時間里面會自動會跳回它的基態。在熒光分子的跳躍過程中，它也會發出光。所以這是我們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，我們就需要在激光腔里面的工作介質紅寶石和激光腔兩端的腔鏡的幫助。在這臺中國第一臺激光器里面，要達到上述目標的話，大家可以看到我們希望的兩個腔鏡之間要非常的平行，它們端面和端面之間的不同位置的誤差不能超過200個納米。那么在諧振腔里面就發生了兩件事情：第一，任何與軸線不平行的光線，最終都會從圓柱體的側面出來；第二，只有平行于軸線的這些光線能夠不斷的反射變得越來越強。軸向端產生駐波，這就意味著只有特定的波長可以在腔里面存在，可以來回的反射。所以激光腔可以正確的選擇波長，可以獲得接近于單色光的波長的這樣一個激光的特性。

激光器大家看上去好像比較復雜，實際上它就只有三個要素：一是我剛才給大家提到的它要有個工作介質，我們第一臺激光器里面它就是紅寶石；另外它要有一個腔鏡構成諧振腔，那么這里就是兩塊鍍銀的反射鏡；還有一個重要的要素，它的能量從哪來？我們要有一個閃光燈，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，我們一般把它稱為泵浦源，激光的三要素中的工作介質對我們中國的第一臺激光器來說，工作介質就是紅寶石，那么美國人梅曼發明的第一臺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，有固體的、氣體的、電子的、半導體的都有，比如說大家很常見的激光筆，它的工作介質就是半導體，所以現在有多種多樣的激光的工作介質。

我們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，那么大家可以來預測一下，未來激光器還有可能給我們人類生產生活帶來什么新的可能性。我們就來從它的一個特點開始說起。

剛才講到激光的特性之一是高亮度，那么激光的亮度可比太陽光亮多了。比如說現在在上海浦東建設的羲和激光，那么如果用一個放大鏡把羲和激光1016W的激光聚焦，聚焦以后達到的亮度或者說功率密度，即單位面積上的功率，達到了10 22~1023這么高的量級。在這樣一個亮度下面，我們的物質世界就會發生巨大的變化，材料的特性就發生變化。

我們更往前設想一點，如果強度繼續提高，比如說我們現在設想，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西，形象的說，我們就假設真空里面沒東西，但是激光足夠強了以后，就像一個照妖鏡一樣能夠照出里面的妖怪，里面妖怪是什么？根據量子電動力學，真空里面，實際上是一個能夠把正物質-反物質（粒子對）激發出來這么一個基本的狀態。真空不是空的，它是按經典的這樣一個物理的描述它是空的，但是在量子力學里面，真空里面是會不斷的會產生正物質和反物質，所以我們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。

阿秒是什么概念？阿秒是10-18秒，所以有朝一日我們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里面的這么快的過程，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，我們現在都是測量它的穩定的結構。那么它的蛋白質結構的測量，如果變成能夠拍電影的話，我們就可以看到，比如說在用藥物去治療，去殺傷殺滅病毒的過程中，我們是怎么看到藥物的分子跟蛋白質的病毒的蛋白質分子之間是怎么結合的？我們也希望將來有朝一日用激光作為一種手段，能夠把這個過程全部把它探測出來，這樣就為研發對抗病毒，提供關鍵的數據。所以這些在生命科學和在物理學，還有化學，還有材料科學方面有很多應用，都是未來的幾年里面或者幾十年里面都會出現，我們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年就確定為國際光年，國際光年的那一年，我們做了一件事情，拍攝了跟激光有關的諾貝爾獎的視頻，拍成了每個諾貝爾獎的小故事，大概拍成了三分鐘的視頻，做成動畫，把諾獎的基本的原理把它做成動畫展示給大。

我們非常高興的是發現，當我們把這些視頻放到網上去以后，有很多小朋友們就受到了啟發。我印象很深刻的是其中有一位中學生他寫信過來說，當他看到了這些非常美妙的這些跟光有關的諾貝爾獎的故事之后，他就萌發了將來一定要學習光學這樣一個愿望。所以我想跟大家交流的這些激光有關的基本原理也好，或它的應用也好，最后落腳點還落到能夠給我們的生活帶來更多改善和提高，也就是我們曾經有一個口號，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！