和时间赛跑的激光

作者: 周安健 方少波 邱成利

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2022-04-07 15:23:53

本文介绍了激光技术的发展历史及其在各个领域的应用,特别是超快光学的发展和其在时间计量中的重要性。文章还提到了激光在医学、通讯、科研等领域的广泛应用,以及激光技术未来的发展前景。

光是生生万物的热量来源,是视觉世界的物质基础,自古以来就被无数好奇而智慧的人们所关注。但是,无论研究多甚、了解几何,光依旧遥不可及。随着当代科学技术的发展,人们基于爱因斯坦的理论,制造出了能够实现受激辐射光放大的机器,使这股神秘而强大的力量尽在掌握。2022年2月28日晚上,由科技部人才与科普司、中国科学院科学传播局支持,中国科学院物理研究所承办的第55期科学咖啡馆活动成功举行。

本次活动的主持人为中国科学院科学传播研究中心副主任邱成利,主讲人为中国科学院物理研究所副研究员方少波。本次活动以“和时间赛跑的激光”为主题,从“时间”的角度切入,讲解了超快光学的发展历史和在不同领域的应用,生动地呈现了人们利用激光来改造世界的努力。

时间的计量往往需要以一个已知事件发生的时间过程作为快与慢的参考。例如古代的日晷,就是利用昼夜更替来呈现时间的变化。

这个参考事件发生的时间过程越快,我们的时间计量会越精准。在影像摄制领域中,相机利用快门的一开一合来实现曝光,即对瞬间影像的记录,就是上述原理的一个表现。如果快门速度不够快,即拍摄对象在快门一开一合的瞬间发生了更快速的运动变化,相机所记录的影像就会模糊,从而无法显示运动物体的真正过程,也就无法清晰地展现在这一瞬间拍摄对象究竟发生了哪些变化。

激光的全称是受激辐射光放大(light amplification by stimulated emission of radiation,LASER),其理论基础可追溯到1917年爱因斯坦发表的《On the Quantum Theory of Radiation》,只是当时还没有激光或受激辐射光放大的说法。

当时理论预言,当一个光子激发原子时,有可能激发出两个频率相同的光子,这些光子再次激发原子就可能激发出更多的频率相同的光子,呈现出一个放大的效果。爱因斯坦预言,在双能级理论模型中,光与物质相互作用的过程中,有可能会把光放大。

激光的应用特别多。像课堂或者会议室里最常见的激光笔就是一种小型的激光器。

激光在医学中的应用与我们的生活也较为接近,国际上很早就开始把激光技术应用到医疗领域,如激光在眼科和皮肤科等领域都获得了非常成功的应用。近年来,随着光学传感技术的快速发展,激光技术与内窥技术相结合,在组织诊疗等领域得到广泛应用,取得了比较丰硕的成果。此外激光在通讯传媒、科学研究、智能制造、国防军事等领域也有广泛的应用。

与普通光源相比,激光的方向性、单色性和相干性都特别好,亮度也显著更高,因此被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。

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