60年前的7月7日，美國物理學家西奧多·梅曼宣布世界上第一臺激光器誕生。這種顏色鮮亮、始終會聚在一起的光，成為人類在20世紀繼核能、電腦、半導體之后的又一重大發(fā)明。

60年來，激光被廣泛用于各種領域，被稱為最快的刀最準的尺最亮的光，甚至有人將激光與太陽光并列，認為它已成為人類生活中的重要部分。在人類走向未來世紀的路途中，激光還將承擔起更多重任。

作為一門歷史悠久的學科，光學的最早出現可以追溯到2000多年前。中國《墨經》中記載的小孔成像、古希臘歐幾里德《反射光學》都對光學進行了原始探索。

1960年，美國休斯飛機公司工程師西奧多·梅曼發(fā)明了人類第一臺激光器，這讓光學再次煥發(fā)青春活力。60年來，激光科技經歷了一場飛躍式發(fā)展。

談起激光，人們首先想到的可能是科幻大片中的激光武器，或是現代醫(yī)療中的激光手術刀，工業(yè)體系中的激光切割、焊接等。那么，激光究竟是如何產生的？又有怎樣與眾不同的特點，使它在近代光學中引領風騷？

紀律嚴明的光子軍隊

激光的英文叫LASER，而LASER實際上是受激輻射光放大這幾個英文詞的縮寫。在國內，激光最早叫受激光發(fā)射。1964年，我國著名科學家錢學森建議，將 受激光發(fā)射按照中文意思的縮寫，改稱激光。

激光的問世，離不開物理學泰斗愛因斯坦的貢獻。1917年，他發(fā)表了《關于輻射的量子理論》的論文，其中提出受激發(fā)射躍遷理論——普通光源自發(fā)輻射隨機產生的光子如同散漫的平民，而受激輻射發(fā)射的光子猶如一支紀律嚴明的軍隊，即光子的發(fā)射方向相同、波長相同，進而大幅度地提高光源的亮度和相干性，這就是激光。

目前，激光廣泛應用于軍事、科研、工業(yè)、醫(yī)學、航天信息以及娛樂生活中。因此，激光與原子能、計算機、半導體并稱為20世紀人類的四大發(fā)明。

激光由于其高能量、高方向性和單色性，在軍事領域常見的應用有激光測距、激光制導、激光雷達等；在科學研究中，激光的主要研究方向有超快激光、高功率激光、激光與物質相互作用、激光加速器、激光材料、激光化學等。

在工業(yè)界，激光可用于加工、切割大部分傳統工藝方法無法加工的超硬材料和稀有金屬等，以及3D打印特殊材料物質——這些技術不僅適用于汽車、冶金、電氣儀表領域，在芯片刻蝕、制造中也有廣泛應用。

在醫(yī)學界，激光技術同樣獲得了廣泛應用。1960年，世界上第一臺紅寶石激光器研制成功。次年，紅寶石激光視網膜凝固機在眼科獲得首次應用。到目前為止，臨床上使用的激光醫(yī)療設備已有幾十個品種，橫跨基礎醫(yī)學、臨床診斷和治療等領域。

在航空航天、信息技術等領域，激光基于其通信頻帶寬、光通容量大、成本低等優(yōu)點，已經開始逐步替代無線電通信。

在娛樂生活中，同樣處處可見激光的身影，如激光投影、激光音樂噴泉、激光彩色內雕等。激光已經融入人們的日常生活，成為不可或缺的重要工具之一，為人類生產和文明進步作出了重要貢獻。

緊跟世界腳步的中國激光技術

早在1917年，激光的物理原理就被愛因斯坦提出。然而，要實現這種受激輻射，必須將本來處在低能態(tài)的電子運輸到較高的能態(tài)，用專業(yè)術語描述就是需要泵浦源實現粒子數反轉。

1951年，美國物理學家珀塞爾和龐德在實驗中通過傳統光源泵浦實現了粒子數反轉，并獲得了每秒50千赫茲的受激輻射，成功驗證了愛因斯坦的理論。

隨后，美國物理學家查爾斯·湯斯提出了利用受激輻射原理來制造厘米微波振蕩器的設想。這一創(chuàng)造性想法成功開創(chuàng)了一條利用原子分子體系作為振蕩器的先河。

1954年，湯斯制成了世界首臺氨分子束微波激射器，并且輸出了單一頻率的、相干性非常好的微波。但這束微波功率太小、波長太長，缺點十分明顯。

1958年，湯斯與阿瑟·肖洛合作發(fā)表了名為《紅外與光學量子放大器》的論文。該文通過理論計算，給出了光學振蕩條件，并提出了提升輸出光功率的關鍵方法——采用開放諧振腔。

隨著該方案的提出，又過了兩年，也就是1960年，美國加利福尼亞州休斯實驗室的西奧多·梅曼成功利用紅寶石作為增益介質，實現了世界上首臺激光器的輸出（固體激光器）。緊隨其后，首臺氣體激光器氦氖激光器、半導體激光器、釹玻璃激光器、化學激光器、染料激光器等相繼誕生。

目前，中國已建成世界最高峰值功率的羲和激光裝置、神光項目等高功率大能量激光器。 （上海光機所神光II裝置供圖）

在激光器技術發(fā)展上，我國一直緊跟世界腳步。1961年，王之江院士團隊研制成功中國第一臺激光器（紅寶石固體激光器）。1962年至1963年間，我國首臺釹玻璃激光器、氦氖激光器、半導體激光器相繼問世。

隨著激光技術的快速發(fā)展及其展示出的強大應用前景，1964年，我國規(guī)模最大的激光科學技術專業(yè)研究所——中國科學院上海光學精密機械研究所成立。經過五十多年的發(fā)展，該所已成為以探索現代光學重大基礎及應用基礎前沿、發(fā)展大型激光工程技術，并開拓激光與光電子高技術應用為重點的綜合性研究所。

除了通過受激輻射產生激光外，1971年，美國斯坦福大學博士生約翰·馬代還提出了 通過自由電子為增益媒質而產生，波長脈沖可自由調節(jié)的新型激光，并在1976年實現了10.6微米激光放大。

自由電子激光具有頻譜范圍廣、頻率連續(xù)可調等優(yōu)點，目前已成為最新一代的光源。在自由電子激光領域，我國于1993年完成了首臺自由電子激光器的建設，又于2018年投資近百億元，在上海張江綜合性國家科學中心建設硬X射線自由電子激光裝置。

激光的下一個甲子更美好

近年來，隨著科學技術的發(fā)展，激光器的各項指標有了飛躍式的提升。

在峰值功率上，由上海光機所建造的超強超短激光實驗裝置 （又稱羲和激光裝置）已輸出10拍瓦激光。這個功率相當于全球平均電網功率的4000倍。通過聚焦后，該裝置產生的激光功率可達每平方厘米1022至1023瓦，其強度相當于將10個太陽發(fā)射的光聚集到一根頭發(fā)絲上。

如此極端強度的激光可用作加速器，幫助科學家獲取高能電子束、離子束，甚至還能產生X射線、γ光、正負電子對。相較于傳統加速器，激光加速器的優(yōu)勢在于加速梯度可提升一萬倍左右。這意味著，把電子加速到非常接近光速，只需幾個厘米的加速距離。

如此獲得的高能粒子束，不僅可用于開展核物理相關研究，還可用于醫(yī)學成像、放射化療等。此外，如此強的激光還能用于引雷、誘導人工降雨降雪等。當激光功率密度進一步提升到每平方厘米1024瓦，將可用于探索真空特性，包括真空雙折射、真空中產生正反物質等。

在激光輸出能量上，目前最強的是美國加州利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置，可以在一億分之一秒內釋放兩百萬焦耳的能量。該激光器主要用來研究以激光束作為驅動源的慣性約束可控聚變。此外，它還可用于研究實驗室天體物理相關過程、溫稠密物質特性等高能量密度物理相關課題。目前，與該裝置相當的激光器還有中國的神光項目、日本大阪大學的LFEX、法國的兆焦激光器LMJ等。

激光技術不僅在高功率、大能量方面有了飛躍式發(fā)展，在制冷領域的發(fā)展也不容小覷。目前，激光冷卻技術能夠達到的最低溫度可達10-9K(低于-273.14℃)，比傳統的磁致冷和稀釋制冷的溫度低四個量級，已非常接近絕對零度。在這樣的極端低溫下，不僅可以探究物質的第五狀態(tài)——波色-愛因斯坦凝聚態(tài)，還可用作最精確的時鐘。我國2016年研制的天宮二號空間冷原子鐘，成為國際首臺空間在軌運行的超高精度冷原子鐘，比其他在軌運行的原子鐘精度提高兩個數量級。

此外，激光還被廣泛應用于通訊領域。近年來，大家耳熟能詳的量子通訊和量子計算機領域都離不開激光技術。目前，所有量子通信網絡中都必須依靠激光通信作為載體來輔助產生、傳遞、發(fā)送信號。

激光誕生60年來，已完全融入人類生產生活的方方面面，任何一張圖表都很難將所有對激光做出貢獻的人物逐一列出?；蛟S正如諾貝爾獎得主、美國加州理工學院教授艾哈邁德·澤韋爾所說：沒有光就沒有文明，太陽光和激光已經成為我們生活的重要部分。激光的發(fā)展還在繼續(xù)，我們有理由相信，下一個甲子，激光會讓生活更美好。

高亮度

單位面積內，激光中頻率相同的光子數目很多，因此可以達到很高的亮度。例如，普通紅寶石激光器所產生的激光亮度約為太陽表面亮度的10億倍。

方向性

激光中的光子傳播方向基本一致。同樣一束初始光斑只有幾厘米的光，若將這樣一束普通光源從地球表面打到38萬千米外的月球上，其光圈直徑會擴大到1萬千米以上；而通過對實驗室中的氦氖激光進行擴束后，照射到月球上的光圈直徑僅約2千米。

單色性

如果把激光比作一支軍隊，那么軍隊中的每個光子士兵的頻率幾乎完全一致，即光的波長近乎相同。就如國慶閱兵方陣，每位士兵的步伐頻率、步幅大小幾乎完全相同。這就是激光的單色性。

相干性

激光的光強分布會出現穩(wěn)定的強弱相間現象。這是因為激光的頻率、振動方向、相位高度一致，使得激光可以形成穩(wěn)定的干涉圖樣，可應用在全息攝影術、相干斷層掃描等領域。