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雷射誕生50年 從射線武器到核融合發電

引自科學網
 
2010年5月19日,英國《新科學家New Scientist》網站報導,當今應用廣泛的雷射已經誕生整整 50年。今天雷射已經成為網際網路光纖骨幹網的基礎,可以幫助人們尋找新型清潔核融合能源,而雷射仍顯得是未來主義的。以下這組圖片反映了雷射從最初誕生到應用到各個領域的發展過程。
 
1. 雷射的誕生
 


雷射的誕生(Image: Kathleen Maiman)
 
1960年在加州馬里布(Malibu)的休斯研究實驗室(Hughes Research Labs),希歐多爾•梅曼(Theodore Maiman)設計和建造了一台小型的雷射發生器。他將閃光燈線圈纏繞在指尖大小的紅寶石棒上,產生了第一束雷射,雷射時代由此開啟,從此和人們的生活息息相關。
 
梅曼的實驗顯示,閃光燈發出的足以致盲的強光可以使紅寶石棒充能,這些能量隨後以純粹的紅色光脈衝的形式釋放,這些相干光有恒定的相位差,就像是列隊前進的士兵們。
 
2. 雷射武器
 


雷射武器(Image: SNAP/Rex Features)
 
隨著雷射的誕生,軍事機構和小說家看到射線槍能夠成為現實,就開始著手打造雷射武器。 1964年,007電影《金手指Goldfinger》中大反派“金手指”奧瑞克(arch-villain Auric Goldfinger)威脅詹姆斯-龐德(James Bond),要用雷射將他鋸成兩半——這在當時,還是純粹的幻想。
 
3. 三維雷射
 

 
三維雷射((Image: Juris Upatnieks))
 
1948年科學家發明了全像技術(Holography),以提高電子顯微鏡的解析度,但埃米特•利斯 (Emmett Leith)和朱瑞斯•烏派特尼克斯(Juris Upatnieks )在1964年使用雷射對全息技術進行了徹底改造,發明了第一個不需要特製眼鏡就能看到的三維圖像(holograms)。
 
他們用分裂的雷射光束將全像圖記錄在感光片上,其中一束雷射先被從被攝物體上反射開來,然後再與另一束會合,在感光片上成像。用一束與成像時相同方向的雷射照射感光片,就會在觀看者眼前產生一幅逼真的三維圖像。這張玩具火車圖是這兩位科學家在密西根大學(the University of Michigan)的威洛•魯恩實驗室(Willow Run Laboratory)第一次記錄的全像圖。
 
4. 夢幻雷射
 


夢幻雷射((Image: Action Press/Rex Features))
 
最初時,雷射的色彩是相當有限的:氦氖雷射(helium-neon laser)和紅寶石(ruby laser)發出紅光,其他雷射器則產生不可見的紅外線。人們借助離子雷射器第一次實現了如彩虹般的七彩雷射,它通過在氬或氪(argon or krypton)中的高壓放電產生雷射。氬氣產生藍色和綠色的光,氪產生其他幾種顏色,兩種氣體的混合可以產生整個可見光譜中的顏色。夢幻的雷射秀從此誕生。
 
5. 無處不在的雷射
 


無處不在的雷射((Image: NASA/JPL-Caltech))
 
雷射技術第一次走進日常生活,是美國超市使用發出紅色氦氖雷射的條碼掃描器實現收款自動化。若爾斯•阿爾費羅夫(Zhores Alferovand )和赫伯特•克勒默(Herbert Kroemer)改進了製作半導體二極體雷射器的方法,讓雷射真正地無處不在。這兩位科學家因此獲得了2000年的諾貝爾物理獎。(圖中所示為一個半導體二極體雷射器和五美元鈔票大小的對比。)如今,這樣的晶片隨處可見,比如說CD播放器、藍光播放器、紅色雷射筆並構成了全球電信網路的骨幹。
 
6. 用途廣泛的刀片
 


用途廣泛的刀片((Image: Giuseppe Aresu/Bloomberg/Getty Images))
 
在工業上,雷射被用作永遠不會變鈍的鋸和鑽頭。最初人們使用雷射來加工硬度很高的材料,如鑽石,或非常柔軟的材料,例如嬰兒奶瓶的奶嘴。
 
低功率雷射可以切割和焊接塑膠;高功率雷射可以切割和焊接金屬。早期的工業雷射器,必須要有非常龐大的體形,才能產生足夠的能量,但新型固態雷射器卻非常小巧,給人印象深刻:如今一段細光纖或幾分之一毫米厚、撲克大小的碟片就能產生千瓦級的能量,足以切開幾公分厚的金屬片。
 
7. 雷射廣泛的醫學用途
 


雷射廣泛的醫學用途((Image: Stephen Jaffe/AFP/Getty Images))
 
雷射的首次在醫學上的成功應用是進行眼內手術,無需要切開眼球。早在1962年,一台紅寶石雷射器將病人脫落的視網膜與眼球重新連接,使他恢復了視力。更大的成功在1968年到來,外科醫生法蘭西斯•萊斯佩朗斯(Francis L'Esperance)和貝爾實驗室(Bell Labs)的工程師使用氬離子雷射器破壞異常的血管,以避免這些血管在視網膜中擴散,這種病症後果非常嚴重,會導致糖尿病人失明。這種治療方法已經挽救了數百萬人的視力。如今,雷射也被用來切割角膜,以矯正視力,或者消除胎記和刺青。
 
8. 雷射之母
 


雷射之母(圖片來源:國家點火裝置)( (Image: National Ignition Facility))
 
很久以來可控核融合都是人們最理想的清潔能源產生方式。1962年,在加州的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore, California),物理學家約翰•納科爾斯(John Nuckolls)提出用雷射脈衝加熱和壓縮重氫同位素塊來實現可控核融合。
 
自此之後,勞倫斯利弗莫爾實驗室一直追尋著這個理念,他們使用的雷射器也越來越大,終於在美國國家點火裝置(National Ignition Facility))中達到巔峰。這是一個複雜的系統,可以同時發出192束雷射,去年,在十億分之幾秒的時間內,產生了能量達到100萬焦耳的雷射脈衝,使之成為有史以來能量最強的雷射器。國家點火裝置是美國科學家研製的、世界最大的雷射核融合裝置。據悉,這個被稱為“人造太陽”的裝置能產生類似恒星內核溫度和壓力,使美國在無需核試的情況下保持核威懾力。

New Scientist原文報導
Light shows, ray guns and blades: the laser is 50
12:01 06 May 2010
The original "solution looking for a problem", the laser is now 50 years old but still seems futuristic. This gallery charts the evolution of a technology that underpins everything from the fibre-optic backbone of the internet to the search for clean fusion energy.


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