激光器是一項(xiàng)偉大的發(fā)明，它向人類提供了一種非同尋常的新型 光源，它的亮度甚至比太陽還髙億倍。一般探照燈照射的距離只有1千米左右，而激光可以照亮距離我們38萬公里的月球；它的單色性和相干性也異常的好 ,單色性比先前有單色性之冠的氪-86燈還高萬倍， 它的相干長(zhǎng)度達(dá)幾公里，而其他光源最長(zhǎng)的也只有38厘米 。因此，利用激光能夠解決許多之前無法解決的問題。

激光器發(fā)明背景

一項(xiàng)發(fā)明的產(chǎn)生往往源于兩方面的推動(dòng)力：一是物理規(guī)律內(nèi)部的探求，二是社會(huì)實(shí)踐的需求。

波長(zhǎng)越短的電磁波，單位時(shí)間 內(nèi)能夠傳送的信息越多。光波的波長(zhǎng)只有微波的萬分之一，在單位時(shí)間內(nèi)能夠傳送比用微波多近萬倍 的信息，或者說用同樣功率的光波將信息傳送的有效距離比用微波延長(zhǎng)近萬倍。然而 ,1960年代前，光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)的性能明顯不如微波系統(tǒng) ，比如光雷達(dá)的探測(cè)距離就遠(yuǎn)小于微波雷達(dá)，主要原因是其使用的光源亮度不高。

光學(xué)測(cè)距機(jī)可以做到快速、準(zhǔn)確的測(cè)量。炮兵部隊(duì)一般都需要配備光學(xué)測(cè)距機(jī)，如我國(guó)云南光學(xué)儀器廠在抗日戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期生產(chǎn)了1萬多臺(tái)光學(xué)測(cè)距機(jī)，配合炮兵部隊(duì)有力地打擊、消滅敵人。但是受光源亮度的限制，它的最大測(cè)量距離大約只有3 0千米。要測(cè)量更遠(yuǎn)目標(biāo)的距離，就需要亮度很高的光源。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究和工業(yè)生 產(chǎn)都涉及長(zhǎng)度的精密測(cè)量，用光波長(zhǎng)做尺子 ,理 論 上 測(cè)量精度可達(dá)0.005微米。但由于實(shí)際使用的光 源其相干性和單色性比較差，實(shí)際測(cè)量精度遠(yuǎn)低于這個(gè)數(shù)值。

照相術(shù)雖然能夠把景物、人物等的影像逼真地記錄下來，但是 ， 照片上顯示的只是某一個(gè)側(cè)面的影像，看不到事物的整體。這是因 為照相時(shí)漏掉了一項(xiàng)重要信息，即光波的位相。我們知道，光波包含 振幅和位相兩個(gè)參量：振幅反映光的強(qiáng)弱,位相反映方位。把光波這兩個(gè)參量都記錄下來，就能夠完全 記錄光波攜帶的信息，這時(shí)候通過照片就能夠看到三維影像了。基于這個(gè)道理，1948年 ，英國(guó)科學(xué)家蓋伯 （D. Gabor) 發(fā)明了一種新型照相術(shù)—— 全息照相。但是 ，蓋伯提出 全息照相后很久未能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐?實(shí)現(xiàn)全息照相，必須要有相干性很 好的光源。

然而，要想大幅度提髙光源的 亮度和相干性幾乎是不可能的，根 本原因是光源內(nèi)的各發(fā)光原子的 發(fā)光行為沒有受到制約，即它們主 要是自發(fā)輻射躍遷。愛因斯坦在 1917年發(fā)表的“關(guān)于輻射的量子理 論 ”論 文 中 提 出 “受 激 發(fā) 射 ” 的 概 念 ，利 用 受 激 發(fā) 射 躍 遷 能 夠 使 各自獨(dú)立輻射的分子、原子受到約 束 ，讓它們都發(fā)射相同波長(zhǎng)的光輻 射 ，而且都是朝 一 個(gè) 方 向 發(fā) 射 ，這 樣就可大幅度提高光源的亮度和 相干性了。

美國(guó)科學(xué)家湯斯（C. Townes) 曾接受研制波長(zhǎng)為厘米級(jí)的微波 振蕩器的任務(wù)，但是利用傳統(tǒng)的制 造方法顯然無法完成任務(wù)，于是他 決定嘗試?yán)脨垡蛩固沟氖芗ぐl(fā) 射原理制造這種微波振蕩器 ,1954 年 4月他終于研制成功以受激發(fā)射 過程為主的新型微波輻射源，并命 名 為 “微 波 激 射 器 ”，它發(fā)射單一 頻率的、相干性非常好的微波。微 波激射器的成功給人們研制高亮度 、高相干性和單色性光源指出了 方向。1958年湯斯與同在貝爾實(shí)驗(yàn) 室的研究員肖洛（A. Schawlow) 合 作 ，對(duì)光學(xué)激射器進(jìn)行了細(xì)致研究 分析，研究結(jié)果發(fā)表在 1958年 12月 美 國(guó) 《物理評(píng)論》（Phys.Rev.）) 雜 志上。該論文論證了制造光學(xué)激 射器的可行性、光學(xué)激射器的設(shè)計(jì) 原理 ,并給出了光學(xué)振蕩條件以及 理論計(jì)算結(jié)果。肖洛和湯斯的《紅 外 與 光 學(xué) 量 子 放 大 器 》論文發(fā)表 后，世界上幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家便 著手研制激光器，經(jīng)過兩年時(shí)間的 努力 ,終于在 1960年5月，美國(guó)休斯 ( Hughes) 公 司 實(shí) 驗(yàn)室的梅曼（T. Maiman) 采用紅寶石晶體做發(fā)射 激光的材料 ,用氙閃光燈做泵浦光 源,觀察到了激光輻射；同年7月，休 斯公司在美國(guó)紐約舉行新聞發(fā)布 會(huì) ，向社會(huì)公布 梅 曼 的 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 ， 宣布研制成功世界第一臺(tái)激光器。隨后 1961年9月，我國(guó)也研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)激光器。

梅曼研制成功的激光器給人 類展示出一種光子簡(jiǎn)并度大于 1的 相干光源，它必將引起光學(xué)技術(shù)革 命 ，意 義 非 同 凡 響 ，各國(guó)科學(xué)家們 紛紛積極開展激光器的研究工作， 經(jīng)過 6 0年的發(fā)展，現(xiàn)在制成的激光 器估計(jì)有4萬多種，其中包括使用不 同物質(zhì)形態(tài)（如固態(tài)的、氣態(tài)的、液 態(tài)以及自由電子的）材料做激光工 作物質(zhì)的；輸出激光形式為連續(xù)的 或者脈沖的；輸出激光波長(zhǎng)在不同 波 段 的 （X射線波段、紫外波段、可 見光波段、紅外波段以及遠(yuǎn)紅外波 段 ）；激光器尺寸和輸出功率為大 型的或微型的等。

常用的激光器主要有：1961年 研制成功氦 -氖氣體激光器 ,1973 年研制成功C0 2分子 激 光 器 ,1970 年 代 和 1980年代分別研制成功連 續(xù)高功率橫向快速流動(dòng)和軸向快 速流動(dòng)激光器，連續(xù)輸出激光功率 高 達(dá) 幾 萬 瓦 ，主要用于工業(yè)生產(chǎn)；1 9 6 0年代研制 成 功 Nd: YAG激光 器，1970年代研制成功半導(dǎo)體激光 泵浦的高功率激光器，能量轉(zhuǎn)換效 率獲得大幅度提高；1970年代研制 成功光纖激光器，1980年代研制成功高功率輸出的雙包層高功率光 纖激光器，連續(xù)輸出激光功率達(dá)萬 瓦 ；I960年代研制成功半導(dǎo)體激光 器 ；1970年代研制成功異質(zhì)結(jié)半導(dǎo) 體激光器 ,1980年代研制成功量子 阱半導(dǎo)體激光器，1990年代研制成 功GaN基多量子藍(lán)光半導(dǎo)體激光 器 ，現(xiàn)在制造出用于工業(yè)應(yīng)用的高 功率半導(dǎo)體激光器，輸出激光功率 可 達(dá) 幾 萬 瓦 。大型激光器輸出激 光功率巨大，占地面積也大，可達(dá)足 球場(chǎng)那么大，其典型代表是拍瓦激 光器，1996年建在美國(guó)利弗莫爾國(guó) 家實(shí)驗(yàn)室的諾瓦（Nova) 激光裝置 是世界上第一臺(tái)大能量拍瓦激光 裝 置 ，輸出激光峰值功率 1.3拍 瓦 ， 聚焦后產(chǎn)生的功率密度接近10^21瓦/ 厘米^2。

在 激 光 器 “家 族 ” 中，半導(dǎo) 體 激 光 器 體 積 最 小 ，重 量 也 最 輕 ， 1977年科學(xué)家研制成功的垂直腔 面 發(fā) 射 半 導(dǎo) 體 激 光 器 （又稱微型 半導(dǎo)體激光器 ),整個(gè)激光器尺寸是 幾 微 米 ，在一平方厘米面積上可以 排 布 100萬只激光器。這些激光器 是采用分子外延技術(shù)，把半導(dǎo)體材 料一層一層地疊加起來制成的。

激光開創(chuàng)科學(xué)新領(lǐng)域

由于激光器的出現(xiàn)，大大擴(kuò)展 了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的內(nèi)涵，并誕生了多種新學(xué)科，如非線性 光 學(xué) 、瞬態(tài)光學(xué)、強(qiáng)激光物理學(xué)、激 光化學(xué)、激光生物學(xué)等，對(duì)高新技術(shù) 與交叉學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展起著重要 的推動(dòng)作用。

1.激光非線性光學(xué)

激光與物質(zhì)相互作用出現(xiàn)了先 前曾經(jīng)設(shè)想過、但始終未實(shí)現(xiàn)的光 學(xué) 現(xiàn) 象 ，也出現(xiàn)了先前沒有想到的 光學(xué)現(xiàn)象。1961年美國(guó)的弗蘭肯（P. A. Franken) 和他的同事們把紅寶 石激光器發(fā)出的波長(zhǎng)694.3納米、能 量 3焦 耳 、脈沖寬度 3毫秒的激光脈 沖通過石英晶片時(shí)，觀察到一種新 現(xiàn) 象 ，在透射光束中除了出現(xiàn)原先 紅色的激光外，還觀察到了一束新 光 束 ，它的波長(zhǎng)為 347.15納米的紫 外光，其波長(zhǎng)剛好是人射波長(zhǎng)694.3 納米的一半（即頻率加倍)，他們把 這個(gè)現(xiàn)象稱為“光倍頻”。

此后的一些實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)除了發(fā) 生頻率加倍的光波外，還會(huì)發(fā)生頻 率三倍、四倍和五倍甚至幾十倍的 光波。這樣一來，利用這個(gè)頻率變 化 現(xiàn) 象 ，我們便可以借助能量轉(zhuǎn)換 效率比較高的紅外激光器，獲得紫 外 波 段 ，甚至是X射線波段的相干 光。此后，科學(xué)家在利用激光器做 光源進(jìn)行的光學(xué)實(shí)驗(yàn)中又先后觀 察到另外一些新型光學(xué)現(xiàn)象，如光 學(xué) 混 頻 （兩束光頻率不同的激光束或者其中一束為普通光源的光束， 它們通過介質(zhì)時(shí)出現(xiàn)頻率相加或 者相減的新光束 )、光學(xué)自聚焦和自 散 焦 （一定強(qiáng)度的激光束通過介質(zhì) 時(shí)發(fā)生會(huì)聚或者發(fā)散)、光學(xué)飽和吸 收 （激光束通過介質(zhì)時(shí)其光學(xué)吸收 系數(shù)隨著激光強(qiáng)度增大而減小)、受 激 光 散 射 （物質(zhì)在強(qiáng)激光作用下產(chǎn) 生 具 有 激 光 特 性 的 光 散 射 ）、瞬態(tài) 相干效應(yīng)（物質(zhì)在短脈沖強(qiáng)激光作 用下，在小于物質(zhì)內(nèi)部縱向及橫向 弛豫時(shí)間的時(shí)域范圍內(nèi)所發(fā)生的光 學(xué)現(xiàn)象，諸如光子回波、光學(xué)自由感 應(yīng)衰減、光學(xué)章動(dòng)、自感應(yīng)透明等)、 光束自陷（短脈沖強(qiáng)激光束進(jìn)人介 質(zhì)自聚焦到最小尺寸后，保持細(xì)長(zhǎng) 絲狀在介質(zhì)中繼續(xù)傳播）等，上述 這些光學(xué)新現(xiàn)象基本上是在 1960 年代發(fā)現(xiàn)的，它們?cè)谑褂闷胀ü庠?時(shí)均未出現(xiàn)過。美國(guó)科學(xué)家布隆 伯 根 （N. Bloembergen) 對(duì)這些新 型光學(xué)現(xiàn)象作了嚴(yán)格的理論分析， 并奠定了一門新型光學(xué)學(xué)科，即非 線性光學(xué)的理論基礎(chǔ)，他的杰出貢 獻(xiàn)贏得了 1981年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2.激光瞬態(tài)光學(xué)

一些物理變化過程、化學(xué)變化 過程和生物變化過程經(jīng)歷的時(shí)間 都非常短暫，時(shí)間尺度是皮秒量級(jí)， 甚至飛秒量級(jí)的。比如，視覺系統(tǒng) 中的分子異構(gòu)化、DNA中堿基對(duì)的 光修復(fù)及質(zhì)子傳遞、化學(xué)反應(yīng)中的 光 解 離 、光合作用功能體中的光物 理過程等，其間經(jīng)歷的時(shí)間尺度就 非常短，因此我們往往只知道其變 化開始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻的物質(zhì)狀 態(tài)、物質(zhì)成分和物質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)于其間 產(chǎn)生過什么中間狀態(tài)和物質(zhì)成分， 又是怎樣一步步到達(dá)最終穩(wěn)定狀 態(tài)的并不十分了解，若能夠準(zhǔn)確地 測(cè) 量 、了解這些超快過程，將能得 到有關(guān)這些過程機(jī)制極其豐富的 信 息 ，這 些 信 息 對(duì) 物 理 學(xué) 、化學(xué)和 生命科學(xué)的發(fā)展十分重要，比如農(nóng) 作物是靠光合作用過程把太陽光 能量轉(zhuǎn)換成自己生長(zhǎng)發(fā)育的養(yǎng)分， 它 被 譽(yù) 為 “世界上最重要的化學(xué)反 應(yīng) ”，但整個(gè)反應(yīng)過程經(jīng)歷的時(shí)間 大約只有百億分之一秒。因?yàn)槠浣?jīng) 歷的時(shí)間實(shí)在太短，即使利用研究瞬態(tài)現(xiàn)象的高速攝影技術(shù)也無能 為力，于是長(zhǎng)期以來都不完全清楚 光合作用的具體過程。科 學(xué) 家 說 ， 假如對(duì)光合作用過程每一步都了 解 ，就可以找到一些辦法控制其中 某一步的行進(jìn)方向，來提高光合作 用的效率，調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的 生理過程，改善其對(duì)環(huán)境條件的適 應(yīng)能力 ,這是一件非常重要的事情。有了激光技術(shù)，現(xiàn)在可以探測(cè)記錄 各種瞬態(tài)過程了。

激 光 技術(shù)探測(cè)瞬態(tài)過程的手 段 主 要 有 ：用 短 脈 沖 激 光 光 束 探 測(cè)瞬態(tài)變化過程，用時(shí)間高分辨率 激 光 光 譜 探 測(cè) 瞬 態(tài) 變 化 。美國(guó)加 州 理 工學(xué)院科學(xué)家澤維爾（A. H. Zewail) 在 1 9 8 0年 代 末 用 飛 秒 激 光做高速攝影的光源，拍下快速化 學(xué) 反 應(yīng) 過 程 的 “慢鏡頭”照片，顯 示了化學(xué)反應(yīng)的瞬變過程，實(shí)現(xiàn)了 減慢時(shí)間步伐的夢(mèng)想，為此他獲得 了 1 9 9 9年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。用一個(gè) 超短激光脈沖人射到進(jìn)行測(cè)量的 物 質(zhì) ，將它們的原子、分子 體 激 發(fā) 到指定的能態(tài)，或?qū)⑺鼈兲囟ǖ哪?種運(yùn)動(dòng)變化微觀步驟有選擇地進(jìn) 行引發(fā)，隨后用另一超短脈沖激光 在不同延遲時(shí)間之后通過這些物 質(zhì) ，“跟 蹤 ”探測(cè)物質(zhì)在各瞬間的 吸收光譜信號(hào)或者散射光譜信號(hào)， 或者發(fā)射的熒光光譜信號(hào) ,便可知 道物質(zhì)在此瞬間所呈現(xiàn)的狀態(tài)，綜 合不同瞬間的光譜資料，便可揭示 物質(zhì)有關(guān)微觀過程的動(dòng)態(tài)學(xué)規(guī)律， 大大豐富了人類對(duì)自然世界的認(rèn) 知。

激光建立極端實(shí)驗(yàn)條件

所 謂 極 端條件是指在地球上 用通常手段難以實(shí)現(xiàn)的某些物理?xiàng)l 件，如極端低溫、極端高壓、極端高 溫等，在這些極端條件下的物質(zhì)，其 形態(tài)、物態(tài)會(huì)出現(xiàn)異常的變化。

1.建立極端低溫，造出第五、第六態(tài)物質(zhì)

能夠獲得絕對(duì)溫標(biāo)溫度 1開以 下超低溫方法主要有 3種 ：磁制冷、 稀釋制冷和激光制冷。目前磁制冷 技術(shù)獲得的最低溫度是（1~5) x 10^-3 開 ,稀釋制冷技術(shù)能獲得 1.8x 10^ -3開，激光制冷技術(shù)能達(dá)到 5 x 10^-6開 的極端低溫 ,科學(xué)家正是借助于激 光制冷技術(shù)造出了新物態(tài)物質(zhì)。根 據(jù)形態(tài)可將物質(zhì)簡(jiǎn)單地劃分為 6大 類，它們依次是固態(tài)、液態(tài)、氣 態(tài) 、等 離子態(tài)、玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)和費(fèi) 米 子 凝 聚 態(tài) ，其中前面 4 類物態(tài)物 質(zhì)已經(jīng)很常見，而后面兩種需要在 接近絕對(duì)零度、同時(shí)又避免發(fā)生凍 結(jié)的低溫條件下才會(huì)產(chǎn)生，因此直 到激光制冷技術(shù)成功產(chǎn)生極端低 溫才能辦到。1 9 9 9年 ，美國(guó)科羅拉 多州美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所的康奈爾 (E. A. Cornell) 和科羅拉爾大學(xué)實(shí) 驗(yàn)天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的維曼（C. E. Wieman) 使用激光制冷技術(shù)成 功獲得銣原子玻色 -愛因斯坦凝聚 態(tài)物質(zhì)，美國(guó)麻省理工大學(xué)凱特勒 ( W. Ketterle) 成功獲得鈉原子玻 色 -愛因斯坦凝聚態(tài)物質(zhì)。這三位 科學(xué)家在制造新物態(tài)物質(zhì)領(lǐng)域做出 了杰出貢獻(xiàn)，共同獲得了2001年諾 貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2 0 0 4年 1月2 9 日，他 們又宣布，借助激光制冷技術(shù)成功 獲得了鉀原子費(fèi)米子凝聚態(tài)物質(zhì)， 即創(chuàng)造出第六態(tài)物質(zhì)。

2 .建立超高壓、高溫條件，研究 核聚合反應(yīng)

物質(zhì)在高壓下會(huì)發(fā)生許多有趣 的物理現(xiàn)象。在外來壓力作用下 物質(zhì)的體積收縮，同時(shí)其自由能發(fā) 生改變 ;物質(zhì)也會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)形態(tài)改 變，本來是液態(tài)的物質(zhì)會(huì)凝固結(jié)晶；非晶態(tài)物質(zhì)的晶化規(guī)律可能改變；原為晶體的物質(zhì)，可能發(fā)生晶體結(jié) 構(gòu)或電子結(jié)構(gòu)的變化。在很高的壓 力作用下,半導(dǎo)體、絕緣體乃至分子 固體氫可能成為金屬態(tài)等。利用爆 炸 、強(qiáng)放電和高速運(yùn)動(dòng)物體沖擊等 產(chǎn)生沖擊波 ,在瞬間可產(chǎn)生超高壓 力。利用聚能爆炸產(chǎn)生的沖擊波目 前可產(chǎn)生 5 x 10^6個(gè) 大 氣 壓 的 壓 強(qiáng) ， 但是它不容易控制 ,而且持續(xù)時(shí)間 短 ；用機(jī)械加壓方式擠壓物體，使 其因被壓縮而產(chǎn)生超高壓 ,然而實(shí) 際上獲得超高壓并非易事。利用激 光能夠產(chǎn)生很高壓強(qiáng) ,2000年中國(guó) 科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 的神光裝置n輸出的激光在靶面產(chǎn) 生的壓強(qiáng)就高達(dá)3.7 x10^12帕斯卡，是地球中心壓強(qiáng)的1萬多倍，在如此極 端高壓作用下，原子核之間的距離 可能小到10^-13厘 米 ，此時(shí)原子核不 是按通常的同性電荷相排斥性質(zhì)， 而是轉(zhuǎn)為相互吸引，將會(huì)發(fā)生核聚 合反應(yīng)，釋放核聚變能。科學(xué)家認(rèn) 為，核聚變能將是人類用之不竭的 能源，而且是清潔、環(huán) 保 、安全的能 源。

同樣的，物質(zhì)在超高溫條件下 也 會(huì) 產(chǎn) 生 種 種 物 理 新 現(xiàn) 象 。大部 分分子在溫度10^4開時(shí)都會(huì)離解成 原子，在溫度10^5開時(shí)大部分原子都 會(huì)發(fā)生電離，而原子核在溫度10^10開 時(shí)大部分會(huì)離解成質(zhì)子和中子。在 地球上的實(shí)驗(yàn)室里，高溫通常是用 電學(xué)加熱，或 者 用 化 學(xué) 燃 燒 （如火 焰 ）產(chǎn)生的熱量而獲得。要獲得高 的溫度，需要使用加熱能力很強(qiáng)的 電學(xué)或化學(xué)手段，而這種能力受物 質(zhì)本身和加熱技術(shù)的限制。還有一 個(gè)基本困難是，熱物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生熱輻 射 ,而且輻射量隨著它的溫度呈 4 次方增長(zhǎng)。如溫度升高1倍 ，熱輻射 損失能量增加 16倍 ，所以需要提供 給物體的熱能將是巨大的，這必然 制約了能夠獲得的溫度最高值。現(xiàn) 在 ，科學(xué)家采用激光技術(shù)能夠把原 子加熱到很高溫度，1985年中國(guó)科 學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的 激 光 12號(hào)裝置輸出的激光束就能 夠把物質(zhì)加熱到上千萬攝氏度，比 地球中心溫度還高萬倍，與太陽中 心的溫度相當(dāng)。

激光開創(chuàng)新技術(shù)

為 適 應(yīng) 科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù) 的需要，科學(xué)家們利用激光的特點(diǎn) 開發(fā)了許多新技術(shù)，諸如激光光鑷 技 術(shù) 、激 光 精 密 計(jì) 量 測(cè) 量 技 術(shù) 、激 光 照 排 技 術(shù) 、激 光 全 息 照 相 技 術(shù) 、 激光信息存貯技術(shù)、激光推進(jìn)技術(shù) 等。

1 .激光光鑷，生物系統(tǒng)研究精 準(zhǔn)手術(shù)工具

鑷 子 靠 物 體 之 間 的 摩 擦 力 將 物體夾住，以實(shí)施各種操縱。利用 激 光 能 夠制造出另類鑷子—— 光 鑷,它是一把無形的鑷子，它操縱微 粒不是靠機(jī)械力或者物體之間的摩擦力，而 是 靠 激 光 束 形 成 的 “光阱”。

會(huì) 聚 的 激 光 束 在 光 束 傳 播 方 向上和與之垂直的平面上將形成三 維梯度力—— 光阱 ,落在其中的原 子、微粒將被它捕獲，并被囚禁在光 阱中心。移動(dòng)光阱中心，便可以移 動(dòng)被捕獲的原子、微 粒 ；或 者 說 ，利 用光阱力可以操縱原子、微 粒 。基 于這個(gè)原理，1986年美國(guó)AT& T貝爾 實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家阿斯金（A. Ashkin) 發(fā)明了一種利用一束激光就能夠 在空間三維控制微粒運(yùn)動(dòng)的裝 置—— 光鑷。因?yàn)楣馐鴮?duì)原子以及 微粒不會(huì)構(gòu)成機(jī)械損傷，所以光鑷 操縱是無損傷操作，這是一種十分 珍貴的特性 ,特別是在生物學(xué)研究 領(lǐng)域中，可以用于研究單個(gè)細(xì)胞和 生 物 大 分 子 的 行 為 。比如利用光 鑷可以分選生物粒子或細(xì)胞，使兩 個(gè)或多個(gè)生物粒子相互密切接觸， 便于研究觀察它們之間的相互作用 等 ；也可以捕獲單個(gè)活細(xì)胞并在細(xì) 胞 內(nèi) 操 縱 細(xì) 胞 器 。利用光鑷還能 進(jìn)行染色體切割與分選、細(xì)胞轉(zhuǎn)基 因操縱、微型手術(shù)等精細(xì)操作，在動(dòng) 植物基因工程、農(nóng)產(chǎn)品改良育種等 領(lǐng) 域 有 著 重 要 的 應(yīng) 用 價(jià) 值 。阿斯 金因?yàn)榘l(fā)明激光光鑷及其在生物 系統(tǒng)中的應(yīng)用，獲得了 2018年諾貝 爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2 . 測(cè)量微尺寸，突破阿貝分辨 率極限

在微觀世界中有許多非常微小 的粒子、微 生 物 （諸 如 細(xì) 胞 、細(xì) 菌 、 病 毒 等 ),我們借助各種電子儀器、 光 學(xué) 儀 器 （如光學(xué)顯微鏡、電子顯 微 鏡 等 ）觀測(cè)它們，了解它們的運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，并測(cè)量它們的細(xì)節(jié) 尺寸。科學(xué)家用一個(gè)稱為分辨率的物理量衡量這些儀器的觀測(cè)能力， 分辨率高意味著儀器的觀測(cè)本領(lǐng) 髙。隨著科學(xué)的發(fā)展，研究諸如細(xì) 胞內(nèi)分子尺度的動(dòng)態(tài)和結(jié)構(gòu)特征、 病毒如何侵犯細(xì)胞、藥物怎樣發(fā)揮 作 用 、傳遞物質(zhì)怎樣從一個(gè)神經(jīng)細(xì) 胞到達(dá)另一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞等問題，要 求顯微鏡分辨率至少達(dá)到 100納米 級(jí)別。然而，顯微鏡的分辨率是存 在極限值的，以光學(xué)顯微鏡來說，其 分辨率大約是照明光波長(zhǎng)的一半， 這是 1873年德國(guó)阿貝（E. Abbe) 根 據(jù)光的衍射效應(yīng)得到的阿貝分辨 率極限，以波長(zhǎng)在可見光波段、波長(zhǎng) 為 400~700納 米 的 光 照 明 時(shí) ，其分 辨率大約為 3 0 0納 米 ，顯然達(dá)不到 100納米要求。現(xiàn)在利用激光技術(shù) 就能夠突破阿貝分辨率極限了。

美國(guó)科學(xué)家白茲格（E. Betzig) 基于激光技術(shù)，提出了光激活定位 顯微鏡技術(shù)（PALM) 概念，找到了 超越阿貝分辨率極限、提高光學(xué)顯 微鏡分辨率的辦法，并發(fā)明了一種 超越阿貝分辨率極限的光學(xué)顯微 鏡。他用低強(qiáng)度、波長(zhǎng)405納米的激 光照射帶有熒光蛋白的生物樣品， 通過調(diào)節(jié) 4 0 5納米激光能量，使一 次僅激活出在視野下稀疏分布的幾 個(gè)熒光分子 ,通過高斯擬合來精確 定位這些熒光單分子。在確定這 些 分 子 的 位 置 后 ，再使用波長(zhǎng) 488 納米激光照射它們 ,漂白這些已經(jīng) 定位的熒光分子，使它們不會(huì)被下 一輪的激光照射再激活發(fā)射熒光。之后再分別用波長(zhǎng) 4 0 5納米和 488 納米激光激活和漂白其他熒光分 子，如此循環(huán)這樣的激活-漂白操作 多次后，生物樣品中所有熒光分子 都被作了精確定位 ,然后將這些熒 光分子的圖像合成到一張圖片上， 就得到一張整個(gè)生物樣品的納米 量級(jí)分辨率圖像，突破了阿貝分辨 率極限。白茲格因?yàn)樵诔桨⒇惙?辨率極限的顯微鏡方面做出了杰出 貢 獻(xiàn) ，獲得了 2014年度諾貝爾化學(xué) 獎(jiǎng)。

3 . 激光照排印刷，漢字印刷第 二次技術(shù)革命

人類從幼兒時(shí)就開始接觸書 和報(bào)紙，從中獲得科學(xué)技術(shù)和文化 知識(shí)。因此，印刷出版物的品種和 數(shù)量，在一定意義上是一個(gè)國(guó)家或 者一個(gè)時(shí)代科學(xué)文化繁榮的重要 標(biāo)志之一。傳統(tǒng)的圖書報(bào)紙是用鉛 字印刷，工人需先用火熔化金屬鉛， 然后再鑄成一個(gè)個(gè)鉛字按文稿順 序排版，因此這種印刷技術(shù)離不開 “鉛”與 “火”,它不僅能源消耗大、勞動(dòng)強(qiáng)度高，還存在環(huán)境污染，影響身體健康，而且工作效率低，一本書 的出版周期長(zhǎng)。1978年 8月，北京大學(xué)王選教授利用激光技術(shù)和電子 技術(shù)成功地研制出“華光型計(jì)算機(jī) 激光漢字編輯排版系統(tǒng)”，它把每 一個(gè)漢字編成特定的編碼存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī) ，輸出時(shí)用激光束直接掃描 成字 ,革新了傳統(tǒng)印刷工藝。從此 漢字告別鉛字印刷 ,進(jìn)人漢字印刷 技術(shù)新歷史時(shí)期。讓漢字文明、印刷技術(shù)跟上了世界信息化、網(wǎng)絡(luò)化 的步伐。

漢字激光照排的工作效率高、 版面靈活、字庫齊全，成為出版印刷 行業(yè)技術(shù)中的主力軍。使用漢字激光照排系統(tǒng)不但消除了鉛毒污染、 降低了能耗，而且圖書出版周期大幅縮短。

激光開創(chuàng)未來

地球正面臨生態(tài)環(huán)境惡化，各種資源包括糧食、飲用水 、礦產(chǎn)、能源等短缺的挑戰(zhàn)，同時(shí)還會(huì)遭遇小行星碰撞地球的威脅。科學(xué)家認(rèn)為，借助激光技術(shù)，能夠協(xié)助人類更好地監(jiān)測(cè)和治理環(huán)境污染 ,探測(cè)和 開發(fā)利用太空資源、海洋資源、信息資源和食物資源等 ,激光技術(shù)也是防御小行星碰撞地球的重要手段之 一。科學(xué)家已經(jīng)在研究借助現(xiàn)有的航天技術(shù)和海洋技術(shù)，利用激光高分辨率 、高靈敏度分析技術(shù)探測(cè)太空和海洋資源的種類、品質(zhì)和分布， 并研究以激光推進(jìn)動(dòng)力的激光飛船 ，有 望將人類快速 、安全地送達(dá)各個(gè)星球，就像在地球上往來于各個(gè)城市那樣便利，實(shí)現(xiàn)廣泛開采利用太空礦產(chǎn)資源的愿景。