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05 光物质 Light Matters（第2页）

激光

激光器也许是20世纪光学领域最重要的发明。这个设备产生了非常有用的光束，革命性地改变了光的应用范围和性能。激光器可以作为一个特定的照明光源使用——例如在显微镜和光谱学中，不仅如此，还提供了一种能将大量能量沿特定路径引导到特定目标上的手段，从而控制物质的动力学。这类应用的一个极端例子就是用激光驱动原子聚变，使得新形式的核能得以利用，从而提供大量的能量。我们将在第7章对其进行讨论。

激光器包括一个光学放大器，也被称为增益介质，其原子通过受激辐射产生光。它被放置在两个反射镜（可能还有其他光学元件）所组成的光学腔中。随着原子不断地发射光子，光学腔内的光子数会逐渐增加，直到原子释放的能量与由反射镜从光学腔泄漏出来的能量达到平衡。说得更详细点，当放大器被接通时，从放大器辐射出去的光会被光学腔末端的反射镜反射回来，这就进一步刺激了受激原子的辐射，从而使光学腔内的亮度增加。在另一端的反射镜处，一部分光作为有效输出从腔中透射出去，一部分光则返回增益介质继续激发原子产生光子。当光通过放大器进入光学腔的速率等于光通过镜子透射出去的速率时，我们就说激光器处于阈值。超过这个阈值，放大器增益的任何增加（原子进入受激状态的速率）都会导致腔内强度的增加，从而导致输出光的增加。

光学腔对于激光的颜色有一定的限制。结果表明，获得最大增益的频率是那些在每次往返过程中都会发生相长干涉的光波所对应的频率。这意味着在腔内往返一次的长度应该等于半波长的倍数。满足这种谐振条件的频率即符合谐振腔模式。

激光器之所以重要，是因为它们发出的光是相干的：所有的光子都以相同的颜色朝着大致相同的方向运动。其中运动方向由光学腔决定，而颜色则由增益介质中的原子和光学腔共同决定。这就使得激光是以激光束的形式存在的，它与你想象中的“光线”非常相近。它在传播过程中仍然会因为衍射而发散，但是其发散程度已经微乎其微。这种特性也意味着激光可以用透镜或者平面镜聚焦成一个特别小的光斑。

除了相干性之外，与灯泡发出的光相比，激光的第二个优势是它的颜色更纯。换句话说，激光发出的光波长范围很窄，而灯泡发出的光的波长范围特别广。激光的光强度特别稳定（光探测器的探测结果中噪声很低），可以连续发射或者作为光脉冲进行发射。

激光可以聚焦成非常小的光斑，这一能力使得它在显微镜技术中得到了各式各样的应用。例如，通过扫描在显微透镜焦点处目标物体上的激光光斑，并且检测从物体散射或者重新辐射出的光，可以构造出物体的三维图像。这个方法对于观察动物组织非常有用，这类光学显微镜在生物医学方面有着广泛的应用。

激光在制造业中的许多应用也是利用了这一特性。例如标记、切割、钻孔或者焊接金属等操作，都要求短时间内在金属的较小区域上聚集能量。高功率激光器可以产生以脉冲形式呈现的相干光束，聚焦能力强，因此成为这些材料加工操作的理想选择。

由于这些特性，激光在医学方面也得到了很多应用，这次涉及了皮肤、牙齿和头发等材料，常见如激光矫正视力和激光牙科等。激光也可以去除文身，利用激光加热皮肤里的文身墨水直到其被完全破坏。激光也可以除毛——但很可惜的是激光并不能反过来让毛发再生。其他一些人们所熟悉的设备，如CD、DVD、蓝光光碟（Blu-rayDisc）和一些计算机磁盘存储设备，也都是利用了激光的聚焦性能卓越这一特性，使得材料能够储存密度非常高的数据。

激光的颜色可以非常纯，因而可以利用光谱法来区分不同混合物中的原子和分子种类。正如第1章所提出的，不同的原子甚至不同的分子，由于它们的结构不同，因此具有不同的吸收和辐射光的特征频率。延伸一下我们本章中提出的类比，将这些原子和分子比作秋千，那么这些秋千中连接座椅的绳子长度不一，因此，这些原子或者分子的固有振**频率由它们在混合物中的组合方式所决定。

事实上，每个原子和分子都有不同的辐射和吸收的频率范围，对应着不同的电子构型的激发。这些频率范围通常位于可见光光谱的蓝光区域，但有一些分子可吸收的光的波长要短得多，是人类不可见的。许多分子也可以吸收比可见光的红光波长还长的光。这种区别来自构成分子的原子核之间的振动。由于原子核比电子重得多，所以它们倾向于以更低的频率振**。这组频率相当于分子的一种“指纹”，可用来确认分子类型。

当然，用这些“指纹”所确立的目录在化学中是很重要的，因为通过它可以识别出化学反应中所涉及的不同元素。它也被用于分子生物学；甚至在细胞生物学中，可以通过它来观察特定的标定分子，从而研究分子的运动。这种“指纹”对于天体物理学也相当重要，它可以确定恒星、星系、星云中存在的元素。在大气物理学和气象学中，则可以遥测污染物和颗粒。这种监测为评估气候变化的影响和成因方面提供了关键数据。

通过组合几个不同激光器所发出的激光，例如一个发出红光，一个发出绿光，一个发出蓝光，那么就有可能制造出一台激光投影仪。根据电脑或者互联网输出的视频信号来改变各个激光信号的强度——也许可以通过液晶单元的方式实现——那么色彩鲜艳、高饱和度的电影就可以投射到屏幕上。红、绿、蓝这三色光的组合足以构成一个完整的调色板，而激光可以在屏幕上产生非常明亮的图像。

X射线

当光的波长非常短，属于光谱的X射线区域时，就会产生一种特定的光谱。X射线的光子能量很高，不仅可以激发最外层的电子，甚至能激发原子中被束缚得最紧密的电子。这意味着X射线可以用来观察原子和分子的核心，并了解它们所处的环境，由此，我们就可以改变电子结合能[3]。X射线的吸收光谱技术在材料研究中有着广泛的应用，从检测微量污染物到研究玻璃的结构。如第3章所述，X射线衍射法也被用来研究晶体的结构。当X射线的波长接近于晶体中原子的间距时，晶体就充当了“衍射光栅”，使X射线向离散的方向散射。通过监测相机上的衍射图样，利用先进的反演算法重建高度复杂的晶体的三维结构。从分离出的生物和化学分子中提取特征，确定可能的新分子结构，对比进行设计，从而实现某一特定功能，这在现在已经是一个常规的流程。

同步加速器可以为这种光谱技术提供最好的光源。为了产生符合要求的具有短波长的X射线，同步加速器必须产生高能电子束，并且在一个环形轨道上对它进行加速。随着电子的加速运动，实验站会捕捉到闪烁的光，这导致了短暂的X射线暴，可以用于衍射成像。例如英国哈维尔的“钻石光源”1（DiamondLightSource），电子束在一个超过半千米长的环内被加速至超过十亿伏特。下一代X射线光源正在使用线性粒子加速器来制造，这种加速器可1　位于英国牛津郡，是英国第一台第三代同步辐射光源。以产生极其明亮的X射线光束。如图20所示的X射线衍射图就是用钻石光源拍摄的。

超短光脉冲

激光也能够以短脉冲的形式发出，方法不止一种。能够产生最短光脉冲的方法称为锁模法。锁模法要求增益介质具有较大的带宽，也就是说，它可以在比较宽的光谱范围内对光进行放大。这使得光学腔内多个不同种类的激光都可以获得增益。如果让这些不同种类的激光具有相同的相位，那么拥有不同频率的光波将在光学腔内叠加形成单个脉冲，并且在两面反射镜之间来回反射。脉冲有多短取决于锁定的频率的数目——频率分布的范围越宽，脉冲越短。

超短激光脉冲的获得使得时间分辨光谱技术成为可能。这种技术让我们得以利用闪频仪看到事物是如何随着时间变化的。利用光来“定格”快速运动的这一想法，可以追溯到19世纪末埃德沃德·迈布里奇（EadweardMuybridge）的工作。他萌生了利用快速照相机快门来拍摄骏马奔跑的想法。由于马的腿移动得太快，人眼无法进行分辨，以至于当时还无法分辨马在跨步的过程中四条腿是否在某一时刻同时离地。为了解决这个问题，迈布里奇沿着跑道设置了许多相机，每一个相机快门都由一根横跨于跑道的线所操控，当马奔跑经过这些线时就会依次触发快门。这使得他能从马的反射光中提取出一个很短的光脉冲，这种光脉冲持续的时间比马腿移动的时间还要短。他这项研究的目的与成果就是告诉他的研究资助者利兰·斯坦福（LelandStanford），在马奔跑的过程中，马的四条腿在某一个瞬间可以同时离开地面。

传统相机的机械快门可以很快速地关闭，但是速度仍然不够快，因此仍然无法观察到某些形式的动物运动，例如蜂鸟翅膀的扇动。至于一些更快速的物理过程，例如爆炸发生在千分之一秒的时间尺度上，这么短时间内发生的变化是无法用传统相机捕捉到的。为了解决这个问题，麻省理工学院的哈罗德·埃哲顿（HaroldEdgerton）在20世纪50年代发明了一种基于光学开关的新型非机械式快门。他可以用这种装置拍摄爆炸事件的静态照片。

这些开关我们可以称之为“被动”仪器，它们在打开状态时有一片允许光通过的空间，所以这种设备适用于照明良好的物体（例如沐浴在加利福尼亚阳光下的马）或者是本身就发出大量光的物体（例如爆炸）。我们可以想象一种“主动”的仪器，它可以产生短的光脉冲来照亮一个移动的物体，例如照相机的闪光灯所发出的光脉冲。与物体移动所需要的时间相比，一道持续时间更短的光照射在物体上时，就可以观察到某个瞬间物体定格住的图像，即使快门的速度比物体的运动速度要慢。第二个闪光会定格稍后的运动图像，依次往后推，这样就可以获得物体运动的动图了。

将在同一事件的重复实验中拍摄的序列帧组成一部电影可以说明运动对象的快速变化，即使其变化的速度已经远远超过人眼的识别程度。确实，这些稍纵即逝的事件竟然能够通过这种方式被观察到，真的很令人惊叹。埃哲顿于1931年发明了“频闪仪”。他的一些最具代表性的图像，例如子弹穿过苹果或者扑克牌（见图27），都是用它拍摄的。

图27　频闪仪记录下一张图片，显示了运动中的子弹被定格的瞬间

使用现代脉冲激光作为“闪光”，不仅可以观察到运动的子弹定格的瞬间，还可以观察到参与化学反应的分子中原子的运动[因为这一发现，1999年的诺贝尔化学奖颁发给了艾哈迈德·泽维尔（AhmedZewail）]，甚至能看到在原子核周围以更快速度运动的电子。这些运动的时间尺度小得惊人。对于分子来说，它的时间尺度小于1秒的一万亿分之一（100×10-15秒，即100飞秒）。而对于原子内的电子来说，其时间尺度为100×10-18秒（100阿秒）。飞秒化学[4]和阿秒科学[5]都是研究光和物质相互作用的前沿领域，我在第7章将会作进一步讨论。

[1]　当波浪或者船只扰动了生活在海水中的某些微小浮游生物时，它们会发光。因此，这种磷光其实是一种生物发光。

[2]　例如波的方向、相位不一致等。

[3]　电子由被束缚状态转移到无穷远时所做的功，可以用来衡量电子被原子核吸引的紧密程度。

[4]　研究飞秒时间尺度内的化学反应过程和机理的一个领域。

[5]　阿秒时间尺度上的科学研究。