光激射器及其应用 [复制链接]

第5版()
专栏：

光激射器及其应用 南　安
光激射器（或音译为“莱塞”、“睐泽”）的制成和应用，是六十年代科学技术的重大进展之一。目前，新的光激射物质不断出现，其进展速度之快，在科学技术史上尚不多见。
光激射器实际上是一种能量转换装量，根据不同的类型，其输入能量可能是电磁能（用无线电或光的频率）或电流，而输出的能量是受激发射的光。这种激射光有几个特点：单色性好（频率单一）、方向性好（光束高度准直平行）、相干性好（光波的“步伐”整齐）和强度大，是普通光线所不具备的。因此，从一开始它就引起科学家和工程师的巨大兴趣，纷纷研究激射光在各技术领域里应用的可能性。现在，在通讯、测量、金属加工、外科手术以及基础科学研究等方面，出现了一系列的光技术。虽然这些新技术绝大多数还处在实验室阶段，但是它有巨大的潜在力量，可以预计将发生深远的影响。
光激射器的工作原理
在介绍光激射器的工作原理之前，要先了解一下电磁波的性质和原子的能量状态，以及它们的相互作用关系。
我们知道，无线电波（长波、中波、短波、超短波）、雷达波（微波）、红外线、可见光线、紫外线、X线和丙种射线，都是电磁波。它们的区别在于波长不同。它们的波长是依照上列次序递减，频率则递增。古典理论认为，电磁辐射是持续的波浪式运动。但是，有很多现象无法用波动学说来解释。一九○○年，物理学家普朗克提出量子学说，认为电磁能是成束地被射出或吸收，它们具有粒子的性质，粒子取名为量子。一九○五年，爱因斯坦证明了量子理论，并提出光子学说，认为光的能量是以光子形式存在和运动。电磁波实际上就是具有波动和粒子的双重特性。光子的能量不固定，而是与频率成正比，频率越高，能量越大。在解释电磁能与物质相互作用（例如下述的光受激发射原理）时，输入和输出的辐射被当作波看待，有波长和频率，但同时要用量子理论来说明原子的能级跃迁，即当光子打中了原子，就把自身的能量传给原子中的电子，从而升高了原子的能级。
原子是由原子核及围绕核运转的电子所组成的。每层电子所处的轨道代表不同的能级，离核近的轨道，能量小，离核远的轨道，能量大。在通常状态下，物质的粒子系统（原子或分子）总是处于能量的最低状态（基态），这样，物质结构才能稳定。但是，原子或分子一旦受到电磁波的作用或加热，吸收了外来的能量后，就如上面所述，本身能量状态发生了变化，从基态跃迁到高能态。高能态的粒子是处于激发状态，是不稳定的，总是要回到正常基态来，并释出多余的能量。如果这些能量是用来发光，我们就称它为辐射跃迁。辐射跃迁分为两种：一种是高能态的粒子由于自身的不稳定，寿命很短（只有万万分之一秒），自发回复到基态，同时发出光，这叫做自发辐射。普通的发光，如太阳光、灯光都属于这一类。由于它们的能级不同，所以波长、频率杂，光的颜色多种多样，方向也漫不一致。我们不妨打一个通俗的比喻，这种发光就象是足球比赛后，场内的观众向四面八方潮水般的散开，但见五颜六色，杂乱无章。另一种情形是，有的物质（如一些稀有气体和稀土元素）的粒子，它们到达高能态后，不是直接回到基态来，而是过渡到一个中间能量状态（亚稳态），粒子在亚稳态的寿命较长（可达万分之一到千分之五秒），并且自发回到基态的可能性小。当亚稳态的粒子不断增加，数目超过基态时，如果受到波长相当于两个状态的能量差的电磁波激发，就回复到基态，释出光子，光子又激发其它原子也跌落到基态，释出新的光子。这样在光学共振腔里反复作用，造成所谓雪崩反应，发出强大的光。这种辐射叫做感应辐射，也就是光激射器的工作原理。
激射光束的频率范围很窄，其输出功率为一瓩时，带宽仅为零点零二赫，这样的光谱纯度是过去所未见过。光束还严格地朝着一个方向发射，在十米左右，光束不发生散射，此后也只有轻微的扩散，在十二公里远的照射面积，只比一个茶杯碟大些。一九六二年夏天，科学家曾经向月球发射激射光十三次，获得成功。光在穿行三十多万公里后，在月面上的扩散直径只有三点二公里；要是普通光线，假设强度也足以射到月球，则扩散直径将达四万公里。如果也打一个通俗比方来说明激射光的特点，那么可以把它看作检阅台前的步兵分列式，整个队伍的方向是笔直的，每个士兵的服装颜色完全一样，每一行每一个人的间距都相同，迈着同样大小的步伐，以同样的速度走过检阅台，显得十分威武壮观。
几种光激射器的特点
第一台光激射器是固体红宝石晶体式，于一九六○年七月制成，到现在已四年了。在这期间，不断发现很多种晶体、玻璃、塑料、液体、气体甚至等离子体，都可以用来制造光激射器。它们的激发方式虽然有所不同，但都具有上述光激射器工作原理的共同特性。从理论上说，整个可见光段的频率都能有激射光发生，但由于每种物质只能产生一定数的光频率，所以必须继续寻找新的物质，或者出现能广范围调谐频率的光激射器，才能填满全部空隙。目前，各种类型光激射器发出的波长，大多介于零点五九微米（光谱的黄橙部分）到三十五微米（光谱的红外部分）之间。
已经制成的光激射器有四种类型：固体式、气体式、半导体注入式和液体式。现将它们的主要特点介绍于下。
（一）固体光激射器。固体光激射材料主要有红宝石，含钕玻璃和稀土元素的钙锶氟化物、钨酸钙、钼酸盐等。它们的特点可以红宝石光激射器为代表。
红宝石晶体的成分是氧化铝，并杂有铬原子。作为光激射材料的红宝石晶体棒长约四厘米，直径零点五厘米。棒的两端磨成精确的光学平面，严格平行，并涂以银膜，一端成为完全的反射镜，另一端只能反射百分之九十八，可以让百分之二的光通过，射出晶体棒外。晶体棒和两面反射镜构成光学共振腔。在红宝石棒外绕以电子闪光灯，作为激发光源（起光学泵浦作用）。正常情况下，铬原子吸收紫外线和绿、黄光，而只让红、蓝光通过；激射出来的光束为深红色，波长零点六九微米。
红宝石光激射器的能量转换效率并不高，因此需要很大的输入能量。几经改进后，现在已能得到输入能量为一三○○○○焦耳、输出能量为一五○○焦耳、束宽小于一度的激射光。光激射器的平均输出功率是低的，但是应用巨大脉冲技术可以得到很高的峰功率。这种技术是：在红宝石棒与非完全反射的端镜之间装上快门，当进行光学泵浦时，快门关闭，迟延激发发射，到了极大量原子被激发后，快门才开放，因而增加光束的强度。另一种增大功率的方法是把两支光激射棒分别泵浦，使两棒的原子均保持在高能态，但由于它们是在临界长度以下，所以不发生激射，然而一旦两棒进行光学藕合，立即有强光射出。这项新技术很有发展前途。
现在已能激射出时间为零点零一微秒，峰功率为一亿至十亿瓩的脉冲。当光束强度达到每平方厘米十亿瓩时，相应电场强度为每厘米一百万伏特。如用透镜把光束聚焦到直径为千分之一厘米的面积，那么，这个焦点上的光束强度为每平方厘米一千万亿瓩，光频率电场为每厘米十亿伏特，压力为每平方厘米一○五万公斤。应该注意，这样大的峰功率是由于把输出功率集中在极短的时间射向极小的面积取得的；光激射器的工作仍然严格遵循能量守恒这个客观法则，而不能凭空创造出能量来。
目前的研究方向是继续提高输出功率，并使之有持续的光激射作用。
固体光激射器的能量输出和储存容量，比起其它类型光激射器尚属较高。它的主要用途是在发展光通讯、测距、金属加工和外科手术等方面。
（二）气体光激射器。很多气体有光激射作用，如氦、氖、氩、氪、氙、铯蒸气、氧等。气体光激射器可以产生二百多种频率。由于大多数气体只能有每米百分之三的增益，所以管长一般要一米，但在一米长的管内，可能产生几种不同的激发，使激射光束既非相干性又不能调谐到单一频率。如缩短管长可以获得单一激发方式。现在已制成长为五厘米的气体光激射器，所用气体为同位素氦—3，激射光波长为零点六三微米。
气体光激射器的输出功率更低，只有几毫瓩。但是，它是很稳定的强单色辐射源，很接近于理想的光激射器。光波的束宽和带宽很窄，相干性好，可以制造短距离通讯工具和在精密测试上应用，以及作为生物学的研究工具。
（三）半导体注入式光激射器。半导体材料中的少量杂质，造成材料有空穴型和电子型之分。当电流越过电子—空穴结时，产生很多非平衡的电子和空穴；当电子和空穴复合时，能发出光子，电子由电子型落入空穴型的空穴（缺一个电子的原子）中，发出光子。这是半导体注入式光激射器的作用机制。它的结构类似普通的结二极管。由于通了电流后，结二极管产生大量处于激发状态的电子，电能变光能的能量转换效率很高，达百分之三十以上，所以器件结构很小，结的面积大约只有一平方毫米。然而由于器件结构的体积过小，输出功率也受限，今后只要克服技术上的困难，可能制成大体积的器件。
要保证光激射作用的发生，越过结的电流需要很高的密度，每平方厘米达一万安培。由于产生高热，所以一般要在低温下工作。
调节输入电流强度、工作温度或略为改变材料成分，均能改变激射光的波长，所以它是可调谐频率的光激射器。加上它的体积小、构造简单和效率高这些优点，半导体注入式光激射器可以用来制造通讯系统，在空间飞行器上使用，也可以作为固体光激射器的高选择性激发光源。
已经使用的半导体光激射材料，有砷化镓、锑化铟、砷磷化镓、铟砷化镓等三元素固溶体，它们发出的光波波长在零点六五微米至五点二微米之间。
（四）液体式光激射器。它分为喇曼效应型和稀土螯合型两种。
喇曼效应型的原理是这样的：光通过介质时，光子与粒子（原子或分子）碰撞，如果碰撞是弹性的，光子被弹出来，能量和动量均不改变，因而频率也不变；如果碰撞为非弹性的，光子可能从粒子得到或因而丧失能量，能量的改变就造成频率的改变，这就是喇曼效应。在正常条件下，非弹性碰撞少，因而喇曼效应就相应地弱。在液体光激射器中，喇曼效应作用物质（如硝基苯）受红宝石激射光的辐射，就发生了效应，产生相干光，频率为原来的光频率加上硝基苯分子的振荡频率，这种效应的能量转换效率达百分之五十。
苯并丙酮络铕酒精溶液以及另一种螯合在塑料中的铕化合物，均可作为光激射物质；光波波长约为零点六一微米。它们的优点是，能吸收广范围的光频率，因而对激发泵浦的功率利用更有效，但仍要求有较高的激发功率。这是稀土螯合型光激射器的特点。
由于需要高阈功率，因而限制了液体光激射器的利用。但是，散热问题较易解决，则是一个优点。
激射光的应用
科学技术史告诉我们，每一项重大技术的产生，必定推动自然科学发生广范围的革命性进展。原子能的利用是如此；晶体管的出现（一九四八年）和利用促进了固体物理学的成长也是如此；现在的光激射器为科学技术实践提供前所未有的电磁辐射源，其灿烂的前途也是可以预料到的。但是，光激射器毕竟还是处在实验室阶段的幼年时代，人们还没有完全掌握它的规律和阐明它的本质。尤其是它在各方面的应用，虽然极其广泛，但是很多可能性还仅是设想而已；能否实现，在估计上势必有所出入。这是需要今后由实践来逐步验证的。
下面介绍光激射器的主要应用。
（一）光通讯。激射光在通讯上的应用是光激射器的主要发展方向和研究重点。光是一种电磁波，如同无线电波一样，能载运信息。信息的载运量与频率成正比。由于光波的频率比无线电波大得多，所以，波长在零点四至零点七微米的可见光段，理论上可以有八千万道电视通路，而且所需能量比无线电波少得多。由于激射光的高度方向性和极窄的束宽，因而不易被干扰和截收，保密性很强。
光通讯在实践中所遇到的最大困难是大气和尘埃的干扰，它们能吸收光线和使光线发生散射。现在已经制成的光通讯机，系采用氖—氙光激射器，通话距离为一点六公里。至于实验室中的通讯距离，可达五十公里（中间有重发器）。
很多科学家认为，光通讯的主要发展方向是在空间的应用。这是因为：空间没有大气干扰；无论是宇宙飞船之间、宇宙飞船与地球之间、或者两个行星之间，距离均极其遥远，而无线电波最远只能到达一亿公里，不够应用；只有激射光可以发射到十光年（一百万亿公里）之远（所需输出功率为一万瓩），正可以发挥其作用。据报道，科学界在不久即将进行这方面的试验。
（二）光雷达和光测距。光雷达和普通微波雷达的区别在于波长不同。由于光的波长更短，因而分辨能力更强，能察出更小的目标，而且所需的天线小，使用方便。但是，由于光束狭窄，故寻觅目标困难，并且能被雨、云、尘埃所阻而减弱，使利用受一定限制。目前，光雷达已在气象上应用，探测距离为六十四公里。光雷达在地面上应用，是为了配合普通雷达，以补其不足。在空间的应用可测距离、速度和高度。
光测距器的原型也已经制成，测距范围达十公里远，可能误差为五米。可由士兵随身携带，或装配在坦克、直升飞机上。
（三）关于利用激射光制造反导弹武器的可能性问题。我们在上面已经说过，尽管光激射器的峰功率可达每平方厘米一千万亿瓩，可使任何物质气化，然而这只是由于把全部输出能量集中在极短时间内、聚焦在极小的面积上所取得的结果，并且也只不过是在目标上钻了极小的锥形孔而已。而在实际作战中，导弹是不会带有透镜来聚焦激射光的，因此，照射结果就更差了。再看一下计算数字：物理学家计算过，要在五十公里外熔化在飞行中的导弹弹头，需要的输出功率为一亿六千一百四十万瓩，作用一分钟。这就是说，要把现有的光激射器输出功率提高一百亿倍。固体光激射器的效率很难超过百分之十，所以，反导弹用的光激射器的输入功率至少需要十六亿一千四百万瓩，作用一分钟。能否制成这样强大的光激射器，现在尚无理论根据，何况这个数字还没有把大气吸收和干扰计算在内。即使能制成如此强大功率的光激射器，但是，在辽阔的天空，用束宽只有一分的光线去追击几十公里外的微小而快速飞行的目标，任何人都能估计到，这是极其困难的。
帝国主义者在进行核讹诈后，现在又在进行光讹诈，宣称要在月球上建立光武器基地来毁灭地球。这更是无稽之谈。即使能在月球上建造输出功率为十亿瓩的光激射器，射到地面上来，被照射区所受到的辐射，还没有温带地区受到的太阳辐射的十分之一。
由此可见，光武器的制造是缺乏理论根据的，很多科学家是持否定态度的。但是，光激射器有可能作为战略武器的辅助系统，即利用其产生的高热，作为核武器的触发器。
（四）光焊接、切割和钻孔。光激射器在金属的精密加工方面有很重要的地位。实验证明，利用激射光所产生的极高温度，可以进行难熔金属（如钼钛合金）的焊接、直径仅有一微米的金属丝的微观焊接、半导体的切割以及金刚石的钻孔，效果很好。对所加工的材料影响很小，除了作用点外，材料不受破坏，也不发生变形，焊接之后甚至不需要进行机械加工。但由于目前的光激射器输出功率还很低，不能用来进行大面积、大体积的金属加工。
（五）光手术。利用激射光的高温，可以施行眼科的精细手术。例如因高度近视等原因引起的视网膜剥离，目前是用普通强光进行凝固手术，使视网膜“焊接”回到原来的位置（可恢复部分视力），需要半秒钟的照射；而用激射光，照射时间只有千分之一秒，这样极快速的手术，使眼球没有转动的机会，不至于误伤眼球的正常部分。
由于激射光的作用面积小，界限清楚，所以今后有可能对重要器官的肿瘤组织用激射光进行破坏，收到手术割治的效果。
（六）基础科学研究方面的应用。利用激射光的单色性好、频率稳定，可以用来进行极精密的空间和时间测量。
不久以前，科学家用激射光重复了一八八一年米契尔逊和莫莱两氏关于光通过空间的速度不受地球运动影响的实验。
用四支氦—氖气体光激射器连结起来的装置，发出回转光速，可以计算出回转速度、角度和光频率改变的关系，代替陀螺仪使用。
利用激射光的高温可以使少量物质气化，然后进行成份的光谱分析。
利用激射光能聚焦在极小点上，可以用来破坏细胞的某一部分，进行生物学的研究。同时，也可以用来切割化合物的分子链，进行化学实验。
利用激射光的极高峰功率，可以研究高电场、高磁场强度的高频现象，以及电磁能与物质的相互作用。