奇异的光-激光.docx

1、院 士 科 普 书 系奇 异 的 光 激 光姚 建 铨 编 著清 华 大 学 出 版 社 暨 南 大 学 出 版 社( 京 ) 新 登 字 158 号图 书 在 版 编 目 (CIP ) 数 据奇 异的 光 激 光 / 姚 建 铨 编 著 . - 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 ; 广 州 :暨 南 大学 出 版 社 , 2000 .12( 院 士 科 普 书 系 / 路 甬 祥 主 编 )ISBN 7-302-04203-9 . 激 . 姚 . 激 光 技 术 -普 及 读 物 . TN24-49中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 (2000 ) 第 83431 号出

2、 版 者 : 清 华 大 学 出 版 社 ( 北 京 清 华 大 学 学 研 大 厦 , 邮 编 100084) h tt p : / / ww w .t up .tsinghua .edu .cn暨 南 大 学 出 版 社 ( 广 州 天 河 , 邮 编 510630)h tt p : / / ww w .jnu .edu .cn责 任 编 辑 : 韩 燕 丽印 刷 者 : 北 京 市 清 华 园 胶 印 厂发 行 者 : 新 华 书 店 总 店 北 京 发 行 所开 本 : 8501168 1/ 32 印张 : 7 字 数 : 140 千 字版 次 : 2000 年 12 月 第 1 版

3、2000 年 12 月 第 1 次 印 刷书 号 : ISBN 7-302-04203-9/ G170印 数 : 0001 5000定 价 : 15 .00 元姚 建 铨姚 建 铨 , 中 国 科 学 院 院 士 。 1939 年 出 生 于 上 海 , 原 籍 无 锡 。 长 期 从 事 激 光 及 非 线 性 光 学 频 率 变 换 技 术 研 究 , 在 高 效 率 倍 频 激 光 器 、 高 功 率 固 体 激 光 器 、 可 调 谐 激 光 器 、 非 线 性 光 学 及 激 光 应 用 技 术 等 方 面 的 研 究 成 果 卓 著 。 曾 获 国 家 发 明二 等 奖 、 国 家

4、 教 委 科 技 进 步 奖 、 中 科 院 特 等 奖 、 国 际 尤 里 卡 发 明 金 奖 ( 个 人 获 一 级 骑 士 勋 章 ) 等 。 在 理 论 上 提 出 了 多 项 具有 突 破 及 建 树 性 理 论 。 在 国 际 上 率 先 建 立 了 “ 双 轴 晶 体 最 佳 相 位 匹 配 高 功 率 倍 频 激 光 器 准 连 续 泵 浦 激 光 调 谐 系 统 的 技 术 体 系 ”。 撰 写 的 专 著 有 非 线 性 光 学 频 率 变 换 及激 光 调 谐 技 术 等 。 现 为 天 津 大 学 激 光 与 光 电 子 研 究 所 所 长 、 中 国 光 学 学 会

5、理 事 、 激 光 专 业 委 员 会 副 主 任 。 已 培 养 出 4名 博 士 后 , 28 名 博 士 生 及 40 名 硕 士 生 。 院 士 科 普 书 系 编 委 会 ( 第 二 届 )编 委 会 名 誉 主 任 周 光 召 宋 健 朱 光 亚编 委 会 主 任 路 甬 祥编 委 会 委 员 ( 两 院 各 学 部 主 任 、 副 主 任 )陈 佳 洱 杨 乐 闵 乃 本 陈 建 生 周 恒王 佛 松 白 春 礼 刘 元 方 朱 道 本 何 鸣 元梁 栋 材 卢 永 根 陈 可 冀 匡 廷 云 朱 作 言孙 枢 安 芷 生 李 廷 栋 汪 品 先 陈 禺 页王 大 中 戴 汝 为

6、 周 炳 琨 刘 广 均 杨 叔 子钟 万 勰 关 桥 吴 有 生 刘 大 响 顾 国 彪陆 建 勋 龚 惠 兴 吴 澄 李 大 东 汪 旭 光陆 钟 武 王 思 敬 朱 建 士 郑 健 超 胡 见 义陈 厚 群 陈 肇 元 崔 俊 芝 张 锦 秋 刘 鸿 亮方 智 远 旭 日 干 周 国 泰 王 正 国 赵 铠钟 南 山 桑 国 卫编 委 会 执 行 委 员 郭 传 杰 常 平 钱 文 藻 罗 荣 兴编 委 会 办 公 室 主 任 罗 荣 兴 ( 科 学 时 报 社 )副 主 任 周 先 路 ( 中 国 科 学 院 学 部 联 合 办 公 室 )白 玉 良 ( 中 国 工 程 院 学 部 工

7、 作 部 ) 蔡 鸿 程 ( 清 华 大 学 出 版 社 ) 周 继 武 ( 暨 南 大 学 出 版 社 )总 策 划 罗 荣 兴 周 继 武 蔡 鸿 程总 责 任 编 辑 周 继 武 蔡 鸿 程 宋 成 斌提 高 全 民 族 的 科 学 素 质序 院 士 科 普 书 系 人 类 走 到 了 又 一 个 千 年 之 交 。 人 类 的 文 明 进 程 至 少 已 有 6000 余 年 。 地 球 上 各 个 民 族共 同 创 造 了 人 类 文 明 的 灿 烂 之 花 。 中 华 文 明 同 古 埃 及 文 明 、 古 巴 比 伦 文 明 、 古 印 度 文 明 、 古 希 腊 文 明 等 一

8、 起 , 是 人 类 文 明 的 发 源 地 。15 世 纪 之 前 , 以 中 华 文 明 为 代 表 的 东 方 文 明 曾 遥 遥 领 先 于 当 时 的 西 方 文 明 。 从 汉 代 到 明 代 初 期 , 中 国 的 科 学 技 术 在 世 界 上 一 直 领 先 长 达 14 个 世 纪 以 上 。 在 那 个 时 期 , 影 响 世 界 文 明 进 程 的 重 要 发 明 中 , 相 当 部 分 是 中 华 民 族 的 贡 献 。 后 来 , 中 国 逐 渐 落 后 了 。 中 国 为 什 么 落 后 ? 近 代 从 林 则 徐 以 来 许 多 志 士 仁 人 就 不 断 提

9、出 和 思 索 这 个 历 史 课 题 。 但 都 没 有 找 到 正 确 的 答 案 。 以 毛 泽 东 同 志 、 邓 小 平 同 志 为 代 表 的 中 国 共 产 党 人 作 出 了 唯 一 正 确 的 回 答 : 中 国 落 后 , 是 由 于生 产 力 的 落 后 和 社 会 政 治 的 腐 朽 。 西 方 列 强 对 中 国 的 欺 凌 ,更 加 剧 了 中 国 经 济 的 落 后 和 国 家 的 衰 败 。 而 落 后 就 要 挨 打 。 所 以 要 进 行 革 命 , 通 过 革 命 从 根 本 上 改 变 旧 的 生 产 关 系 和 政治 上 层 建 筑 , 为 解 放 和

10、 发 展 生 产 力 开 辟 道 路 。 于 是 , 就 有 了80 多 年 前 孙 中 山 先 生 领 导 的 辛 亥 革 命 , 就 有 了 50 年 前 我 们 党 领 导 的 新 民 主 主 义 革 命 的 胜 利 , 以 及 随 后 进 行 的 社 会 主 义 革 命 的 成 功 。 无 论 是 革 命 还 是 我 们 正 在 进 行 的 社 会 主 义 改革 , 都 是 为 了 解 放 和 发 展 生 产 力 。邓 小 平 同 志 提 出 的 “科 学 技 术 是 第 一 生 产 力 ”的 著 名 论 断 , 使 我 们 对 科 学 技 术 在 经 济 和 社 会 发 展 中 的

11、地 位 与 作 用 的 认 识 , 有 了 新 的 飞 跃 。 我 们 应 该 运 用 这 一 真 理 性 的 认 识 , 深 刻 总 结 以 往 科 学 技 术 发 展 的 历 史 经 验 , 把 我 国 科 技 事 业 更 好 地 推 向 前 进 。 中 国 古 代 科 技 有 过 辉 煌 的 成 果 , 但 也 有 不 足 ,主 要 是 没 有 形 成 实 验 科 学 传 统 和 完 整 的 学 科 体 系 , 科 学 技 术 没 有 取 得 应 有 的 社 会 地 位 , 更 缺 乏 通 过 科 技 促 进 社 会 生 产 力 发 展 的 动 力 和 机 制 。 为 什 么 近 代 科

12、 学 技 术 首 先 在 文 艺 复 兴 后 的 欧 洲 出 现 , 而 未 能 在 中 国 出 现 , 这 可 能 是 原 因 之 一 吧 。而 且 , 我 国 历 史 上 虽 然 有 着 伟 大 而 丰 富 的 文 明 成 果 和 优 良 的 文 化 传 统 , 但 相 对 说 来 , 全 社 会 的 科 学 精 神 不 足 也 是 一 个 缺陷 。 鉴 往 开 来 , 继 承 以 往 的 优 秀 文 化 , 弥 补 历 史 的 不 足 , 是 当 代 中 国 人 的 社 会 责 任 。在 新 的 世 纪 中 , 中 华 民 族 将 实 现 伟 大 的 复 兴 。 在 一 个 占 世 界

13、人 口 五 分 之 一 的 发 展 中 大 国 里 , 再 用 50 年 的 时 间 基 本实 现 现 代 化 , 这 又 是 一 项 惊 天 动 地 的 伟 业 。 为 实 现 这 个 光 辉的 目 标 , 我 们 应 该 充 分 发 挥 社 会 主 义 制 度 的 优 越 性 , 坚 持 不懈 地 实 施 科 教 兴 国 战 略 。科 教 兴 国 , 全 社 会 都 要 参 与 , 科 学 家 和 教 育 家 更 应 奋 勇当 先 , 在 全 社 会 带 头 弘 扬 科 学 精 神 , 传 播 科 学 思 想 , 倡 导 科 学 方 法 , 普 及 科 学 知 识 。 科 教 兴 国 也

14、要 抓 好 基 本 建 设 。 编 辑 出 版 高 质 量 的 科 普 图 书 , 就 是 一 项 基 本 建 设 , 对 于 提 高 全 民 族的 科 学 素 质 , 是 很 有 意 义 的 。 在 院 士 科 普 书 系 出 版 之 际 , 写 了 上 面 这 些 话 , 是 为 序 。一 九 九 九 年 十 二 月 二 十 三 日人 民 交 给 的 课 题写 在 院 士 科 普 书 系 出 版 之 际世 界 正 在 发 生 深 刻 的 变 化 。 这 一 变 化 是 20 世 纪 以 来 科 学 技 术 革 命 不 断 深 入 的 必 然 结 果 。 从 马 克 思 主 义 的 观 点

15、看来 , 生 产 力 的 发 展 是 人 类 社 会 发 展 与 文 明 进 步 的 根 本 动 力 ; 而 “科 学 技 术 是 第 一 生 产 力 ”, 因 此 , 科 学 技 术 是 推 动 社 会 发 展 与 文 明 进 步 的 革 命 性 力 量 。 从 生 产 力 发 展 的 阶 段 看 , 人 类 走 过 了 农 业 经 济 时 代 、 工 业 经 济 时 代 , 正 在 进 入 知 识 经 济 时 代 。知 识 经 济 时 代 , 知 识 取 代 土 地 或 资 本 成 为 生 产 力 构 成 的 第 一 要 素 。 知 识 不 同 于 土 地 或 资 本 , 不 仅 仅 是

16、一 种 物 质 的 形 态 , 知 识 同 时 还 是 一 种 精 神 的 形 态 。 知 识 , 首 先 是 科 学 技 术知 识 , 将 不 仅 渗 透 到 生 产 过 程 、 流 通 过 程 等 经 济 领 域 , 同 时 还 将 渗 透 到 政 治 、 法 律 、 外 交 、 军 事 、 教 育 、 文 化 和 社 会 生 活 等 一 切 领 域 。 可 以 说 , 在 新 的 历 史 时 期 , 一 个 国 家 、 一 个 民 族 能 否 掌 握 当 代 最 先 进 的 科 技 知 识 以 及 这 些 科 技 知 识 在 国 民 中 普及 的 程 度 将 决 定 其 国 力 的 强

17、弱 与 社 会 文 明 程 度 的 高 低 。 科 技 创 新 与 科 普 工 作 是 关 系 到 一 个 国 家 、 一 个 民 族 兴 衰 的大 事 。对 于 我 们 科 技 工 作 者 来 说 , 我 们 的 工 作 应 当 包 含 两 个 方 面 : 发 展 科 技 与 普 及 科 技 ; 或 者 说 应 当 贯 穿 于 知 识 的 生 产 、 传 播 及 应 用 的 全 过 程 。 我 们 所 说 的 科 普 工 作 , 不 仅 是 普 及 科 学 知 识 , 更 应 包 括 普 及 科 学 精 神 和 科 学 方 法 。我 们 的 党 和 政 府 历 来 都 十 分 重 视 科 普

18、 工 作 。 党 的 十 五大 更 是 把 树 立 科 学 精 神 、 掌 握 科 学 方 法 、 普 及 科 技 知 识 作 为 实 施 科 教 兴 国 战 略 和 社 会 主 义 文 化 建 设 的 一 项 重 要 任 务 提到 了 全 党 、 全 国 人 民 和 全 体 科 学 工 作 者 的 面 前 。正 是 在 这 样 的 背 景 下 , 1998 年 春 由 科 学 时 报 社 ( 当 时 叫 “中 国 科 学 报 社 ”) 提 出 创 意 , 暨 南 大 学 出 版 社 和 清 华 大 学 出版 社 积 极 筹 划 , 会 同 中 国 科 学 院 学 部 联 合 办 公 室 和

19、中 国 工 程 院 学 部 工 作 部 , 共 同 发 起 院 士 科 普 书 系 这 一 重 大 科 普 工 程 。1998 年 6 月 , 中 国 科 学 院 与 中 国 工 程 院 “ 两 院” 院 士 大 会 改 选 各 学 部 领 导 班 子 , 院 士 科 普 书 系 编 委 会 正 式 成 立 , 各 学 部 主 任 均 为 编 委 会 委 员 。 编 委 会 办 公 室 在 广 泛 征 求 意 见的 基 础 上 拟 出 150 个 “ 提 议 书 目 ”, 在 “ 两 院 ”院 士 大 会 上 向1000 多 名 院 士 发 出 题 为 请 科 学 家 为 21 世 纪 写 科

20、 普 书 的 “约 稿 信” , 得 到 了 院 士 们 的 热 烈 响 应 。 在 此 后 的 半 年 多 时 间 里 , 有 176 名 院 士 同 编 委 会 办 公 室 和 出 版 社 签 订 了 175 本 书 的 写 作 出 版 协 议 , 开 始 了 院 士 科 普 书 系 艰 辛 的 创 作 过 程 。 院 士 科 普 书 系 的 定 位 是 结 合 当 代 学 科 前 沿 和 我 国 经 济 建 设 与 社 会 发 展 的 热 点 问 题 , 普 及 科 技 知 识 、 科 学 方 法 。 科 学 性 、 知 识 性 、 实 用 性 和 趣 味 性 是 编 写 的 总 要 求

21、 。编 写 科 普 书 对 我 国 大 多 数 院 士 来 说 是 一 个 新 课 题 。 他 们 惯 于 撰 写 学 术 论 文 。 如 何 把 专 业 的 知 识 和 方 法 写 成 生 动 、 有 趣 、 有 文 采 的 科 普 读 物 , 于 科 技 知 识 中 融 入 人 文 教 育 , 不 是 一 件 容 易 的 事 。 不 少 院 士 反 映 : 写 科 普 书 比 写 学 术 专 著 还 难 。 但 院 士 们 还 是 以 感 人 的 精 神 完 成 自 己 的 书 稿 。 在 此 过程 中 , 科 学 时 报 社 和 中 国 科 学 院 学 部 联 合 办 公 室 、 中 国

22、 工 程 院 学 部 工 作 部 以 及 清 华 大 学 出 版 社 、 暨 南 大 学 出 版 社 也 付 出 了 辛 勤 的 劳 动 。 院 士 科 普 书 系 首 辑 终 于 出 版 了 。 这 是 人 民 交 给 科 学 家 课 题 , 科 学 家 向 人 民 交 出 答 卷 。 江 泽 民 总 书 记 专 门 为 院 士 科 普 书 系 撰 写 了 序 言 , 指 出 科 普 是 科 教 兴 国 的 基 础 工 程 , 勉 励 科 学 家 、 教 育 家 “ 在 全 社 会 带 头 弘 扬 科 学 精 神 , 传 播 科 学 思 想 , 倡 导 科 学 方 法 , 普 及 科 学 知

23、 识” , 充 分 表 达 了 党 的 第 三 代 领 导 集 体 对 科 普 的 重 视 , 对 提 高 全 民 族 科 技 素 质 的 殷 殷 期 望 。 院 士 科 普 书 系 将 采 取 滚 动 出 版 的 模 式 。 一 方 面 随 着 院 士 们 的 创 作 进 程 , 成 熟 一 批 出 版 一 批 ; 另 一 方 面 随 着 科 学技 术 的 进 步 和 创 新 , 不 断 有 新 的 题 材 由 新 的 院 士 作 者 撰 写 。 因 此 , 院 士 科 普 书 系 将 是 一 个 长 期 的 、 系 统 的 科 普 工 程 。这 一 庞 大 的 工 程 , 不 但 需 要

24、院 士 们 积 极 投 入 , 还 需 要 各 界 人士 和 广 大 读 者 的 支 持 对 我 们 的 选 题 和 内 容 提 出 修 订 、 完 善 的 建 议 , 帮 助 我 们 不 断 提 高 院 士 科 普 书 系 的 水 平 与 质 量 , 使 之 成 为 国 民 科 技 素 质 教 育 的 系 统 而 经 典 的 读 本 。 在 科 学 家 群 体 撰 写 科 普 书 方 面 , 我 们 也 要 以 此 为 起 点 为 开 端 , 参 与 国 际 竞 争 与 合 作 , 勇 攀 世 界 科 普 创 作 的 高 峰 。中 国 科 学 院 院 长 院 士 科 普 书 系 编 委 会

25、主 任 路 甬 祥 2000 年 1 月 8 日 本 书 前 言人 类 对 于 “光” 的 认 识 是 从 太 阳 、 月 亮 和 星 星 的 亮 光 开 始 的 , 直 到 大 自 然 一 次 闪 电 引 起 的 熊 熊 大 火 使 人 类 摆 脱 茹 毛 饮 血 的 时 代 , 从 此 人 类 才 开 始 有 意 识 地 利 用 “ 光” 来 改 造 世 界 。 从 中 国 神 话 中 的 “ 火 神 祝 融 ”, 到 西 方 神 话 中 的 “ 普 罗 米 修 斯 盗 火” , 充 满 了 人 类 对 “ 光” 的 膜 拜 与 崇 敬 。 我 国 山 顶 洞 人 钻 木 取 火 , 至

26、今 已 有 1. 8 万 年 的 历 史 。 从 油 灯 、 蜡 烛 、 电 灯 、 碳 弧 灯 、 高 压 汞 灯 、 霓 虹 灯 到 人 造 小 太 阳 等 等 , 人 类 已 经 创 造 了 成 千 上 万 种 不 同 的 光 源 。在 古 罗 马 “火 烧 迦 太 基” 时 期 的 一 次 战 役 中 , 伟 大 的 科 学 家 阿 基 米 德 巧 妙 地 利 用 不 同 尺 寸 的 平 、 凹 面 镜 , 借 助 强 烈 的 太 阳 光 反 射 , 形 成 了 无 坚 不 摧 的 超 级 武 器 , 使 从 海 上 入 侵 的敌 人 兵 船 燃 起 冲 天 大 火 , 一 片 狼 藉

27、 。 传 说 也 好 , 史 实 也 罢 , 这 毕 竟 留 下 了 人 类 长 期 以 来 希 望 充 分 利 用 光 源 于 军 事 乃 至 其他 方 面 的 最 早 记 载 。虽 然 科 幻 故 事 往 往 要 超 越 于 现 实 科 学 技 术 的 发 展 , 但 是 许 多 中 肯 的 预 测 都 逐 渐 变 成 了 现 实 。 儒 勒 凡 尔 纳 在 其 享誉 于 世 的 许 多 著 作 中 不 止 一 次 地 引 进 了 神 奇 的 光 束 。 海 底 两 万 里 与 神 秘 岛 中 那 位 神 出 鬼 没 的 “鹦 鹉 螺 号 ”船 长 尼 摩 经 常 使 用 一 种 高 强

28、度 的 光 束 惩 恶 扬 善 , 谁 能 保 证 这 种 貌 似 信 手 拈 来 的 描 写 中 没 有 未 来 高 科 技 发 展 的 朴 素 萌 芽 呢 ?在 激 光 发 明 的 早 期 , 其 潜 在 的 威 力 更 使 人 们 对 他 的 前 景寄 予 了 厚 望 。 “珊 瑚 岛 上 的 死 光” “、 看 不 见 的 死 光” 在 军 事 上 , 人 们 创 造 了 “死 光” 这 一 颇 具 震 慑 力 的 词 汇 , 作 家 们 充 分 利 用 这 些 诱 人 的 题 目 在 尽 情 描 绘 激 光 军 事 应 用 的 前 景 ; 人 们 也 大 胆 地 勾 画 了 激 光

29、在 其 他 方 面 的 应 用 。从 阿 基 米 德 时 代 就 被 披 上 神 秘 色 彩 的 光 , 发 展 到 今 天 的“激 光” , 其 作 用 和 威 力 不 仅 仅 是 烧 毁 几 艘 战 舰 。 现 在 “, 激光” 这 个 词 已 经 广 为 人 知 , 人 们 对 它 的 种 种 预 测 已 经 变 为 现 实 , 甚 至 有 过 之 而 无 不 及 。 可 以 肯 定 地 说 , 激 光 以 及 其 后 的光 电 子 学 是 当 代 科 学 技 术 的 带 头 领 域 之 一 “, 激 光 ”作 为 高 新技 术 的 代 表 之 一 , 已 经 在 当 代 很 多 科 学

30、 技 术 领 域 得 到 广 泛 的 应 用 。 例 如 , 在 科 学 研 究 ( 激 光 光 谱 、 激 光 冷 却 原 子 、 激 光 化 学 分 子 剪 裁 等 ) 、 军 事 ( 激 光 武 器 、 激 光 测 距 、 激 光 跟 踪 、 激 光 制 导 、 激 光 模 拟 核 爆 炸 等 ) 、 能 源 ( 激 光 受 控 核 聚 变 、 激 光 分 离 同 位 素 等 ) 、 生 物 和 医 学 ( 生 物 基 因 工 程 中 的 激 光 微 加 工 、 激 光 诱 导 荧 光 对 基 因 排 序 、 激 光 手 术 刀 、 内 窥 技 术 等 ) 、 信 息 ( 空间 通 信

31、、 光 纤 通 信 、 激 光 存 储 、 激 光 显 示 等 ) 、 工 业 ( 激 光 材 料 加 工 、 激 光 计 量 检 测 、 全 息 防 伪 、 激 光 打 印 、 激 光 娱 乐 ) 等 方 面 , 必 将 给 科 学 发 展 、 技 术 革 命 、 家 庭 生 活 、 社 会 进 步 以 巨 大 影 响 。 这 些 应 用 有 的 使 人 类 在 认 识 世 界 和 改 造 世 界 方 面 大大 前 进 了 一 步 , 有 的 则 开 辟 了 一 个 新 的 技 术 门 类 , 形 成 了 一个 新 的 产 业 。 激 光 跟 其 他 相 关 技 术 的 结 合 , 正 在

32、改 变 着 现 代 科 学 技 术 及 整 个 社 会 的 面 貌 。1916 年 爱 因 斯 坦 提 出 的 受 激 吸 收 和 发 射 的 观 点 以 及 随 后 物 理 学 上 的 多 项 理 论 研 究 成 果 , 均 为 激 光 出 现 奠 定 了 物 理 基 础 。 1958 年 , 美 国 的 肖 洛 ( Sc hawlow ) 和 汤 斯 ( T o w nes ) 发表 了 著 名 的 论 文 “红 外 与 光 学 微 波 激 射 器 ”。 与 此 同 时 , 苏 联科 学 家 巴 索 夫 ( Basov) 和 普 洛 霍 罗 夫 ( P rokhorov ) 同 样 为 激

33、光 产 生 作 出 了 直 接 的 理 论 准 备 。 到 1960 年 美 国 的 梅 曼 ( Maima n) 制 出 了 第 一 台 红 宝 石 激 光 器 。 1964 年 的 诺 贝 尔 物 理 奖 由 汤 斯 、 巴 索 夫 和 普 洛 霍 罗 夫 获 得 , 肯 定 了 他 们 在 激 光 发 明 理 论 方 面 的 贡 献 。 遗 憾 的 是 肖 洛 不 在 其 中 , 不 过 , 到 1981 年 , 他 与 布 隆 伯 根 ( Bloe mberge n) 因 在 激 光 光 谱 上 的 贡 献 而 获 得 了 诺 贝 尔 物 理 奖 。 之 后 的 10 多 年 , 激

34、光 及 其 技 术在 全 世 界 范 围 内 蓬 勃 发 展 。 美 国 加 州 大 学 伯 克 利 分 校 李 远哲 教 授 获 得 的 诺 贝 尔 化 学 奖 也 与 激 光 有 关 。 1997 年 , 美 国 斯 坦 福 大 学 的 朱 棣 文 、 科 恩 ( T . Coh en ) 和 飞 利 浦 ( A .Phillip s) 首 创 了 采 用 激 光 束 将 原 子 冷 却 到 极 低 温 度 的 方 法 而 获 得 当 年 的 诺 贝 尔 物 理 奖 。 激 光 的 出 现 及 其 发 展 的 历史 充 分 证 明 了 “激 光” 是 本 世 纪 物 理 学 的 重 大 进

35、 展 之 一 , 是 光 学 领 域 具 有 革 命 意 义 的 重 大 突 破 。 “激 光” 的 出 现 固 然 有 它 的 必 然 性 , 但 毕 竟 是 同 科 学 家 、 工 程 技 术 专 家 的 功 绩 分 不 开 的 。我 们 在 本 书 中 列 举 的 一 些 激 光 应 用 只 能 是 管 窥 蠡 测 , 其 目 的 是 使 读 者 朋 友 们 对 “激 光 ”有 一 些 粗 浅 的 认 识 。 读 者 可 通 过 “激 光 ”这 个 例 子 , 加 深 对 现 代 科 学 技 术 的 发 展 历 史 及 其 跟 人 类 关 系 的 了 解 , 从 而 激 发 对 现 代

36、科 学 技 术 的 浓 厚 兴 趣 。 在 本 书 的 编 写 过 程 中 , 我 的 博 士 生 王 晓 勇 、 陈 进 及 郁 宏刚 做 了 部 分 工 作 , 在 此 表 示 感 谢 。姚 建 铨2000 年 6 月目 录1 激 光 的 起 源 与 发 展1 .1 抛 砖 引 玉 从 微 波 放 大 器 谈 起 11. 2 激 光 器 的 诞 生 21. 3 激 光 的 发 展 51. 4 同 激 光 有 关 的 诺 贝 尔 物 理 奖 92 激 光 的 基 本 概 念2 .1 激 光 的 载 体 原 子 112. 2 激 光 的 形 成 132. 3 激 光 器 的 构 成 182.

37、4 激 光 器 的 工 作 方 式 232. 5 激 光 的 特 点 263 激 光 大 家 族3. 1 固 体 激 光 器 323. 2 气 体 激 光 器 343. 3 半 导 体 激 光 器 363. 4 液 体 激 光 器 403. 5 其 他 激 光 器 414 激 光 在 自 然 科 学 研 究 上 的 应 用4. 1 激 光 光 谱 分 析 514. 2 非 线 性 光 学 效 应 534. 3 用 激 光 固 定 原 子 564. 4 探 索 微 观 世 界 和 超 快 现 象 的 工 具 604. 5 激 光 与 宇 宙 探 索 625 激 光 在 军 事 领 域 的 应 用

38、5. 1 激 光 武 器 685. 2 激 光 雷 达 在 军 事 领 域 的 应 用 725. 3 激 光 在 其 他 军 事 领 域 的 应 用 746 激 光 在 工 业 中 的 应 用6. 1 激 光 常 规 工 业 加 工 786. 2 激 光 快 速 制 模 工 艺 816. 3 光 刻 集 成 电 路 及 制 造 微 型 零 件 836. 4 激 光 在 工 业 方 面 的 其 他 应 用 857 激 光 与 全 息 技 术7. 1 全 息 照 相 的 基 本 原 理 937. 2 全 息 图 的 种 类 967. 3 全 息 术 的 应 用 998 激 光 在 测 量 中 的

39、应 用8. 1 激 光 测 量 长 度 1078. 2 激 光 雷 达 与 测 量 1098. 3 激 光 测 量 角 度 1118. 4 转 速 的 测 量 激 光 陀 螺 仪 1128. 5 其 他 激 光 精 密 测 量 1149 激 光 在 生 物 学 中 的 应 用9. 1 激 光 生 物 学 1179. 2 生 物 学 研 究 的 一 把 “ 镊 子 ” 1199. 3 生 物 遗 传 工 程 中 的 激 光 微 加 工 1219. 4 激 光 在 分 子 生 物 学 中 的 应 用 1249. 5 激 光 显 微 技 术 1279. 6 激 光 生 物 刺 激 效 应 12810

40、 激 光 在 化 学 中 的 应 用10. 1 化 学 家 的 一 种 新 视 力 13010. 2 用 激 光 控 制 化 学 反 应 13210. 3 用 激 光 进 行 化 学 分 析 13310. 4 用 激 光 进 行 分 子 “剪 裁” 13410. 5 用 激 光 研 究 原 子 碰 撞 过 程 13511 激 光 在 娱 乐 、 艺 术 方 面 的 应 用11. 1 激 光 在 娱 乐 方 面 的 应 用 13811. 2 激 光 在 艺 术 品 保 护 方 面 的 应 用 14112 激 光 在 分 子 流 场 诊 断 中 的 应 用12. 1 流 场 检 测 技 术 的 意

41、 义 14312. 2 瑞 利 散 射 法 14612. 3 拉 曼 散 射 法 14812. 4 激 光 诱 导 荧 光 法 15012 .5 吸 收 光 谱 法 15112. 6 分 子 标 记 示 踪 法 15313 激 光 在 医 疗 方 面 的 应 用13. 1 医 用 激 光 器 15913. 2 光 纤 激 光 外 科 手 术 16213. 3 激 光 牙 科 治 疗 16413. 4 激 光 治 疗 癌 症 16613. 5 激 光 治 疗 眼 科 疾 病 16913. 6 激 光 镇 痛 17213. 7 其 他 应 用 举 例 17414 激 光 与 能 源14. 1 激

42、光 同 位 素 分 离 17914. 2 激 光 受 控 核 聚 变 18315 激 光 与 信 息 技 术15. 1 光 通 信 技 术 是 信 息 时 代 的 必 然 18715. 2 空 间 激 光 通 信 技 术 18915. 3 光 纤 通 信 技 术 19015. 4 光 存 储 技 术 19416 激 光 在 环 境 方 面 的 应 用16. 1 激 光 检 测 大 气 含 量 20016. 2 激 光 在 环 境 方 面 的 其 他 应 用 201参 考 文 献 2041 激 光 的 起 源 与 发 展 1.1 抛 砖 引 玉 从 微 波 放 大 器 谈 起激 光 的 产 生

43、跟 无 线 电 波 有 一 定 的 关 系 。 电 波 与 光 波 同 属 于 电 磁 波 , 但 是 具 有不 同 的 频 率 和 波 长 , 如 图 1 .1 所 示 。无 线 电 波 一 般 是 通 过 电 磁 振 荡 电 路 经 由 天 线 发 射 , 具 有 一 定 的 相 干 性 。 无 线 电波 最 重 要 的 用 途 之 一 是 通 信 : 无 线 电 波 的频 率 越 高 , 可 容 纳 的 信 息 量 越 多 , 从 而 导 致 通 信 应 用 的 无 线 电 波 逐 渐 向 频 率 较 高 的 微 波 区 域 发 展 。 无 线 电 波 的 另 一 重 要 用 途 是 雷

44、 达 : 为 了 得 到 较 好 的 分 辨 能 力 , 要 求 发 射2院 士 科 普 书 系1 95 4 年 首 次 成 功 做 成 了 氨 分 子 微 波 受 激 辐 射 放 大 器 ( 或 称 量 子 放 大 器 ) 。图 1 .1 电 磁 波谱的 无 线 电 波 具 有 较 好 的 方 向 性 , 从 而 要 求 发 射 天 线 尺 寸 要 远 大 于 振 荡 波 长 , 即 要 有 频 率 较 高 的 电 波 波 长 , 来 避 免 使 用 笨重 的 天 线 , 这 同 样 导 致 无 线 电 波 向 着 微 波 区 域 发 展 。 这 样 一 来 就 提 出 了 如 何 实 现

45、微 弱 的 微 波 信 号 放 大 的 问 题 。 由 于 采用 常 规 电 子 学 方 法 放 大 微 波 信 号 , 其 电 子 噪 声 比 较 大 而 且 效 果 极 差 , 故 需 要 研 制 新 型 的 低 噪 声 微 波 放 大 器 。二 次 世 界 大 战 后 , 雷 达 科 学 家 们 把 微 波 技 术 引 入 了 科 学 领 域 。 1951 年 前 后 , 美 国 马 里 兰 大 学 的 韦 伯 ( J .We ber ) 和 哥 伦 比 亚 大 学 的 汤 斯 以 及 前 苏 联 的 巴 索 夫 和 普 洛 霍 罗 夫 都 提出 了 微 波 受 激 发 射 放 大 的

46、想 法 , 但 是 只 有 汤 斯 没 有 停 留 在 计 算 上 。 在 军 方 的 资 助 下 , 汤 斯 在 1954 年 首 次 成 功 做 成 了 氨分 子 微 波 受 激 辐 射 放 大 器 ( 或 称 量 子 放 大 器 ) 。 接 着 人 们 很自 然 地 进 一 步 设 想 制 造 “光” 受 激 辐 射 放 大 器 ( 即 激 光 器 ) , 来获 得 具 有 更 高 需 求 的 高 频 率 波 段 。1 .2 激 光 器 的 诞 生1916 年 , 38 岁 的 爱 因 斯 坦 发 表 了 一 篇 论 文 , 提 出 了 一 种 受 激 吸 收 和 发 射 的 观 点 。

47、 所 谓 受 激 吸 收 就 是 一 个 光 子 照 射3奇 异 的 光 激 光汤 斯 和 肖 洛 的 理 论 为 激 光 领 域 作 出 了 划 时 代 的 贡 献 。一 个 原 子 , 原 子 吸 收 光 子 后 光 子 消 失 , 原 子 中 的 电 子 从 较 低能 级 跃 迁 到 较 高 能 级 ; 受 激 发 射 则 是 光 子 照 射 处 于 较 高 能 级 的 原 子 , 原 子 发 射 出 一 个 跟 照 射 光 子 频 率 相 同 的 光 子 , 从 而 得 到 两 个 光 子 。 这 位 伟 大 的 科 学 家 本 人 也 未 能 预 料 这 一 观点 竟 成 为 未 来

48、 激 光 领 域 的 开 山 之 斧 。1952 年 , 美 国 马 里 兰 大 学 的 科 学 家 韦 伯 姗 姗 来 迟 地 运 用 爱 因 斯 坦 的 概 念 去 放 大 电 磁 波 , 他 也 提 出 了 自 己 的 观 点 , 用 光 的 概 念 来 解 释 则 是 : 光 子 进 入 原 子 群 , 如 果 半 数 的 原 子处 于 低 能 态 , 则 入 射 光 子 有 可 能 被 原 子 吸 收 掉 ; 如 果 半 数 以上 的 原 子 处 于 高 能 态 , 则 入 射 光 子 有 可 能 产 生 光 放 大 。 这 时 人 们 正 在 进 行 微 波 放 大 器 的 研 究

49、 工 作 , 激 光 的 发 明 人 汤 斯 向 韦 伯 索 要 了 论 文 的 复 印 本 , 继 续 进 行 这 一 工 作 。继 微 波 放 大 器 研 制 成 功 后 , 1956、 1957 年 , 许 多 物 理 学 家 开 始 预 测 将 微 波 激 射 器 从 微 波 推 进 到 红 外 和 光 频 的 可 能性 。 1957 年 , 微 波 受 激 辐 射 放 大 器 发 明 人 41 岁 的 汤 斯 正 在 哥 伦 比 亚 大 学 任 教 , 他 向 美 国 贝 尔 实 验 室 的 35 岁 的 肖 洛 描述 了 如 何 获 得 比 他 的 24 G Hz 微 波 受 激 辐 射 放 大 器 频 率 更 高 的 红 外 光 频 率