激光：照亮我們的神奇之光【紀念激光器發(fā)明60周年】
發(fā)布時間：2020-05-07 來源：《中國激光》
編者按：本文系節(jié)選自清華大學材料學院激光材料加工研究中心、美國激光學會(LIA)前主席、國際光電子與激光工程學會（IAPLE）前主席鐘敏霖教授為《中國激光》“紀念激光器發(fā)明60周年”?？鞯男蜓浴?/span>
今年是激光誕生60周年，是值得紀念的一年。激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類科學史上的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”和“最亮的光”。激光的誕生使人類掌握了一種無與倫比的強大光源和工具，大大推進了我們的科技進步，也照亮了我們的生活。
美國當地時間1960年5月15日，33歲的西奧多·梅曼(Theodore H. Maiman) 博士搶在幾個研究團隊之前，在美國休斯飛機公司休斯實驗室點亮了第一臺激光器，這臺紅寶石激光器發(fā)出的第一束0.6943微米的紅色脈沖激光震驚了學術界，也開啟了全新的激光新紀元。
梅曼的紅寶石激光器結構簡單但精巧，他在直徑10mm長20mm的紅寶石晶體兩端鍍上銀膜，在一端開個小孔作為輸出口；他將紅寶石晶體放在螺旋形的氙燈燈管中心，然后放進高反射的圓筒之內，這樣他就組成了激光器的三個基本單元，即紅寶石晶體作為工作物質，脈沖氙燈作為激勵電源，鍍銀的晶體兩端作為諧振腔。當脈沖氙燈接通電源后，氙燈發(fā)出的光被紅寶石晶體中的特定能級吸收，經受激輻射光放大產生 0.6943 微米的激光輸出。
激光是自然界中原本不存在的光，是完全由理論預言并經過大量科學家長期不斷探索最終產生的光。1916-1917 年，愛因斯坦深入研究了光的輻射理論，提出自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收的概念。自然界中的發(fā)光現象，如陽光、月光、燈光、燭光、螢光、火光、閃光、磷光等等，均可歸入自發(fā)輻射范疇，其特征是產生的大量光子完全處于隨機、無序、不同方向、各不相干的狀態(tài)。而受激輻射概念則預言了一種全新的發(fā)光機理，但要實現這樣一種有別于自然的發(fā)光現象，需要打破熱力學平衡狀態(tài)、解決一系列概念性原理性問題，其中里程碑式的突破包括：1928 年，Ruldolph.W Landenburg 證實受激輻射的存在，1940 年 Valentin A Fabrikant 提出粒子數反轉方法，1950 年Alfred Kastler提出光學泵浦方法(1966 年諾貝爾物理學獎），1951年Charles.H.Townes發(fā)明第一臺波長1.25cm的 NH3微波激射器（MASER，1964年獲諾貝爾物理學獎)，1954年Townes、Gordon和Zeiger 在哥倫比亞大學建立了第一臺 Maser，1956 年Nicolas Bloembergen首先建議三能級固態(tài) Maser（1981 年獲諾貝爾物理學獎)，1958 年C.H.Townes和A.L.Shawlow在《物理評論》上發(fā)表文章提出激光產生的原理性方案（Shawlow 于1981年獲諾貝爾物理學獎），1959 年Gorden 提出Laser術語，1960年Theodore Maiman研制出第一臺紅寶石激光器。1964年，麻省理工的Charles Hard Townes教授和原蘇聯(lián)莫斯科列別杰夫物理研究所的Nicolay Gennadiyevich Basov博士和Aleksandr Mikhailovich Prokhorov 博士因為在與微波激射器和激光產生直接相關的量子電子學領域的基礎性工作而獲得諾貝爾物理學獎。一方面，梅曼作出了自己的杰出貢獻，另一方面，梅曼是幸運的，經過44年大量學者的攻關突破，通往激光器誕生的道路上，前人已經為他掃清了主要障礙。梅曼曾兩度獲得諾貝爾獎提名，獲得過富蘭克林學會、美國物理學會、光學學會和以色列沃爾夫基金會等多個獎項，1984年入選“美國發(fā)明家名人堂”，是美國國家科學院和工程院的院士，也是美國激光學會的發(fā)起人之一。
激光（Laser-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）是一種受激輻射放大的光，其基本特征是成千上萬光子的光學特征（包括光子頻率、相位、方向等等）是一模一樣、齊心合力、完全步調一致的，構成了激光強大的威力和能力。受激輻射光放大的發(fā)光機理和光學諧振腔的作用導致了激光的四大特性，即亮度高、方向性好、單色性好、相干性高，也使激光束在空間分布、時間分布和偏振方面具有特色，促使激光成為一種神奇之光。
激光的強大之處在于，可以將一束高功率的激光束聚焦成極小的焦斑（如微米級），形成極高的功率密度，達到約1026-28 W/cm2 。功率密度為106-9W/cm2的激光束足以在瞬間將金屬表面局部區(qū)域熔化、汽化、蒸發(fā)、電離，形成焊接、打孔、切割等材料加工過程；功率密度達到1026-28 W/cm2 的激光束則具備核聚變所需的能量密度，進行慣性約束核聚變研究，深入到與原子核的相互作用范疇，激光束是人類已知的最高能量密度的高能束流。激光的神奇之處在于可以連續(xù)或者脈沖輸出，其脈沖寬度可以是毫秒級（10-3秒）、納秒級（10-9 秒）、皮秒級（10-12秒）、飛秒級（10-15 秒）甚至阿秒級（10-18 秒），這樣的脈沖寬度短于自然界中的許多超快過程，比如光合作用過程和電子遲豫過程等等，可用于極快作用過程的觀測，也可以用于分子級甚至原子級的材料去除和加工，也可用于極精密的過程比如近視眼的治療等等。激光的神奇之處在于可以輸出不同的波長，從中紅外（CO2激光，波長10.6mm），到近紅外（Nd；YAG激光，波長1.06 mm），到可見光（綠光激光，波長532nm），到紫外（266納米），到深紫外（134nm）到極紫外（13納米）。目前已知高集成度、最小線寬（7nm）的芯片只能由極紫外波長的光刻來實現。激光的神奇之處在于，激光可以作用和加工任何材料：從金屬與合金材料，到無機非金屬材料，到高分子材料，到復合材料等等；從最硬的金剛石，到脆性的陶瓷和玻璃，到強韌性兼?zhèn)涞逆u、鈦合金、不銹鋼、銅、鋁合金等金屬，到軟性的橡膠、塑料、皮革，到天然的石材、木材等等，甚至各種生物材料包括人體器官等等，激光都能進行形狀加工和性能改變，無所不包、無所不能。
激光的出現大大拓展了我們的研究領域，產生出一系列新的學科和研究領域， 如信息光電子、激光醫(yī)學與生物光子學、非線性光學、超快光子學、激光化學、量子光學、超快激光物理等等，也產生出一批新的技術研究，如激光制造、激光 檢測與計量、激光全息、激光光譜分析、激光雷達、激光制導、激光分離同位素、 激光可控核聚變、激光武器等等。以中國知網檢索到的信息為例，從 1987 年至今，共有58112 篇博士碩士論文從事與激光相關的研究，排名前 40 的學科有物理、電子科技、金屬學及工藝、臨床醫(yī)學、控制工程、材料、計算機、信息通信、化學、通用技術、化學工程、儀器儀表、電氣工程、基礎醫(yī)學、航空宇航、生物、測繪、交通運輸、機械工程、環(huán)境、汽車工程、武器工業(yè)、動力工程、原子能、藥學、建筑科學、地質、中醫(yī)與中西醫(yī)結合、力學、食品、冶金工程、礦業(yè)、石油天然氣、中醫(yī)與方劑、輕工、大氣、工商管理、船舶工程、林學、工業(yè)經濟等， 包羅萬象、方方面面、林林總總，覆蓋面極為寬廣。檢索到中國期刊發(fā)表的涉及激光的論文有 240900 篇，從 1979 年的年發(fā)表 1000 篇至 2019 年的年發(fā)表 10000篇，幾乎線性增長，發(fā)文量超過 1000 篇的前 15 主題包括：激光、激光技術、激光熔覆、鈥激光、激光雷達、激光器、激光焊接、護理、輸尿管結石、輸尿管鏡、飛秒激光、顯微組織、應用、測量、數值模擬，覆蓋了多種學科。
經過 60 年的研究發(fā)展，激光應用無所不包、范圍極廣，包括激光制造、通訊、測量、信息處理、醫(yī)療、軍事、農業(yè)、文化教育及科學研究等各個領域，是一項通用型技術，對促進科學技術進步與發(fā)展、形成新的產業(yè)、提高人類健康和生活水平作出了卓越貢獻，并繼續(xù)發(fā)揮著越來越重要的作用。2010 年激光誕生50 周年時，美國的 SPIE、光學學會和激光學會等機構，組織世界各地的激光領域科學家，從成千上萬的激光應用中總結歸納了 26 項亮點應用，包括，光學相干層析成像、光纖光通信、光腔環(huán)形衰蕩光譜、激光切割、激光標記、飛秒頻閃譜、條形碼掃描器、激光筆、激光光刻、DVD 和 CD 播放機、激光演示與全息術、激光眼科醫(yī)療、微波激射器與宇宙背景微波輻射、激光干涉儀、激光核聚變、激光雷達（光探測和測距）、激光陀螺、激光導星自適應光學、入侵者激光探測、光鑷、量子信息處理、光速減慢、超快攝影、激光制導、激光冷凍、激光推進與加速。如果在激光 60 周年時要增加一些亮點應用，我個人覺得，只少我們可以添加軍事領域的激光武器（激光炮、激光反導彈、反衛(wèi)星武器），農業(yè)領域的激光育種，醫(yī)療領域的激光治療癌癥，測量領域的引力波干涉測量，制造領域的激光焊接、激光 3D 打印、激光微納米制造、激光清洗，當然我們可以列出更長的單子。
激光制造一直是激光應用的重要領域，從制造角度講，激光制造技術包括， 激光宏觀材料加工(mm 級及以上尺度加工)：包括激光表面工程（激光相變硬化、激光重熔、激光合金化、激光熔覆、激光非晶化、激光沖擊硬化、激光毛化與織構化、激光清洗、激光拋光、LCVD、LPVD），激光焊接、激光切割、激光制孔、激光標記、激光雕刻，激光 3D 打印、激光燒結、激光折彎；激光微加工(mm)：包括激光微焊接、激光精密切割、激光精密鉆孔、激光燒蝕、激光微熔覆、激光制備表面微米結構；激光納米制造(nm)：包括飛秒激光直寫、雙光子聚合、干涉光刻、接觸離子透鏡序列、激光誘導周期表面結構、納米顆粒激光制備、表面納米結構、激光納米組裝等，覆蓋了非常廣泛的制造技術。
經過60年的研究發(fā)展，與激光相關的產品、技術和服務已經遍布全球，形成了豐富和龐大的激光產業(yè)，滲透到各行各業(yè)，形成了較為完備的產業(yè)鏈分布。產業(yè)鏈上游主要包括光學材料及元器件，中游主要為各種激光器及其配套裝置與設備，下游以激光應用產品、激光制造裝備、消費產品、儀器設備為主。根據中國科學院武漢文獻情報中心、中國激光雜志社和中國光學學會發(fā)布的“2020中國激光產業(yè)發(fā)展報告”統(tǒng)計，2019年，全球激光器銷售額為147.3億美元，包括材料加工與光刻市場、通信與光存儲市場、科研與軍事市場、醫(yī)療與美容市場、儀器與傳感器市場、娛樂顯示與打印市場，其中材料加工占40.6%。2019年中國的直接激光市場為658億元，包括工業(yè)、信息、商業(yè)、醫(yī)學和科研領域。中國規(guī)模以上激光企業(yè)超過150家，企業(yè)總數近千家，以激光加工和激光器相關領域為主。激光產業(yè)為中國制造、高端裝備、智能制造的發(fā)展發(fā)揮了重要作用。
從愛因斯坦的一個精心的理論預言，經過44年誕生出一個精致的激光器件，發(fā)出第一束精美的紅色光束，激光束穿越了60年的時空，發(fā)出燦爛的光芒，帶來了如此之多的驚喜和無所不在的影響。未來的歲月，鑒于其無與倫比的強大、精細、準確，激光無疑將會照亮科技進步的更多領域和我們生活的方方面面。
