奇怪的激光有什么用？

激光通信

今天用光传递信息非常普遍。比如船舶用信号沟通，红绿灯用红黄绿调度。但是所有这些用普通光传递信息的方式都只能局限在很短的距离内。如果要用光把信息直接传到很远的地方，不能用普通的光，只能用激光。

那么你如何传递激光呢？我们知道电可以沿着铜线传输，但是光不能沿着普通的金属线传输。为此，科学家们研制了一种可以传输光线的细丝，叫做光纤，简称光纤。光纤由特殊的玻璃材料制成，直径比人的头发丝还细，通常为50 ~ 150微米，非常柔软。

实际上，光纤的内芯是高折射率的透明光学玻璃，而外护套是低折射率的玻璃或塑料。一方面，这种结构可以使光沿着内芯折射，就像自来水管中水向前流动，电线中电向前传播一样，即使曲折也没有影响。另一方面，低折射率的护套可以防止光线外泄，就像水管不会漏水，电线的绝缘层不会导电一样。

光纤的出现解决了光的传输方式，但并不意味着有了它，任何光都可以传输到很远的地方。只有亮度高、颜色纯正、方向性好的激光才是最理想的传递信息的光源。从光纤的一端输入后，从另一端输出，几乎没有损耗。因此，光通信本质上是激光通信，具有容量大、质量高、材料来源广、保密性强、持久耐用等优点。被科学家誉为通信领域的一场革命，是技术革命中最辉煌的成果之一。

先进的激光通信在哪里？激光通信的优势首先是容量大。它的容量有多大？我们平时打电话的时候，有时候会有不相干的声音。这种打架现象是因为一对电话线上只能用一根电话线。如果再串联一根电话线，正常的两方通话都会受到干扰。如果一对电话线上同时有10对人在通话，说明20个人同时在通话，根本不可能通话。为了解决这个问题，需要用载波等方法，让每部手机都在每个频段。因为普通电话的频率范围是300 ~ 400 Hz，而一对电话线上的最高频率只有1500 kHz，所以一对电话线只能同时通过十几部电话。显然，这样的电信容量远远不能满足当今信息社会的要求。

如果把普通电话的传输信息比作一辆大车，那么激光通信就是一辆汽车。因为激光的频率远高于无线电波的频率，所以激光通信的信息容量是电通信的654.38+0亿倍。一根比头发丝还细的光纤可以传输数万个电话或数千个电视节目。由20根光纤组成的光缆只有铅笔那么粗，每天能打7.62万个电话。相比之下，由1800铜线组成的电缆直径约为7.6厘米，但每天只能打900个电话。

特别令人惊讶的是，光纤通信特别适合于电视、图像和数字的传输。据报道，一对光纤可以在一分钟内传输全套大英百科全书。

此外，光纤是由地球上随处可见的沙子制成的——应时。几克应时可以制成一根1公里长的光纤。这样不仅原料取之不尽，而且铜和铝也可以大大节省。正因为如此，世界发达国家都在竞相研究激光通信。所以激光通信成为竞相发展的宠儿。

在通信技术史上，光纤通信技术的发展是前所未有的。纵观通信技术史上的几个里程碑，电话从发明到应用，大约用了60年，电话通信至今仍被广泛使用。无线电技术(如电报)从发明到应用也用了30年左右。虽然电视技术发展很快，但还是诞生了大约14年。激光通信，从第一根低损耗光纤诞生到应用，总共只需要五年时间。如今，激光通信不仅应用广泛，而且形成了巨大的光纤市场。

1977年5月，有一家美国大公司叫电报电话公司，在芝加哥的两个电话局之间铺设了世界上第一条短距离光纤通信线路。此后，美国近百个地方建立了总长数百公里的短距离激光通信线路。这意味着在短距离内，激光通信已经开始取代普通的电气通信。到1983年，纽约和波士顿之间已有600公里的光纤通信投入使用。

日本紧随美国之后。1984年，日本建成北海道札幌至九州福冈的长距离光纤通信干线，全长2800公里，连接中间30多个城市。1993 65438+2月，中日跨东海光缆成功铺设。日本和美国之间横跨太平洋的长654.38+0万公里的海底光缆也在设计中。

由于光纤通信的蓬勃发展，美国、日本、英国、法国等工业发达国家相继建立了光纤光缆生产企业。世界三大著名光纤光缆公司——日本西电公司、康宁公司、住友公司，每年光纤产量超过1.2万公里。

总之，工业化国家已经建立了全国性的光纤通信网络，完全取代了目前的铜线和电缆。这项巨大的技术工程预计在2000年完成。届时，激光通信将给我们的星球带来巨大的变化。比如，足不出户就可以在家使用光纤网络处理文件或参加会议；或者把家里的光纤网连到购物中心，就像在超市一样，坐在家里就可以买到自己需要的商品，付款只需要用电子金融购物系统结算。全国各地的医疗中心还可以从屏幕上查看病人的病情和化验报告，并据此开出药方，真正做到“秀才不出门，能知天下事”，“空中谋划，千里之外胜仗”。

激光和光纤也能传输图像。首先，直径比人头发丝还小的单根光纤要组合成光纤束。在传递信息的过程中，常用的光纤束有两种:一种叫光束，一种叫像束。传输光束的任务是将光从一端传输到另一端。光束的结构相对简单。它由多根单丝胶合而成，然后对其端面进行抛光研磨，以减少光线进入光纤时的反射和散射损耗，再在光束外侧套上塑料护套。

由于一根光纤只能传输一个光斑，要传输整个图像，必须将光纤一根一根排列整齐，这样形成的光纤束称为传像束。

像束中，所有的光纤排列整齐，两端位置严格对应，一点也不乱，就像一根整齐的筷子。例如，光纤的一端在图像光束中的第八行和第八列，因此另一端也在第八和第八位置。

像束传输图像时，先将图像分割成网格，即一幅图像被无数根光纤分解成无数个像素，然后传输。一根光纤负责传输一个像素，无数根光纤可以将整个图像传输到另一端。如果要清晰地传输图像，就要尽可能使用直径更小的光纤，因为光纤越细，某一个图像传输光束所能容纳的光束就越多，从而可以传输更多的像素。显然，像素越多，图像越清晰。

现在使用的像束由几万根光纤组成，要把这么多光纤排列整齐并不容易。排列好后用一种叫环氧树脂的有机粘合剂把两端粘起来，使光纤粘合固定，保证两端光纤一一对应。两端面应打磨抛光。至于中间部分，不需要粘的很牢，但是和二胡弦一样松，只需要在外面加一个保护性的塑料套，这样传像束就很柔软，可以随意弯曲。

图像光束除了传输图像外，还可以传输一般的符号或数字，放大或缩小图像。

如果你想放大图像，你可以让图像光束一端大，另一端小，就像一个圆锥体。当像素从小端到大端传输时，整个图像被放大。相反，如果图像从大端发送到小端，整个图像就会缩小。

此外，可以通过使用光纤来改变图像。如果根据需要有意打乱光纤的排列，出射端的像素不可能落在原来对应的点上，而是落在主观点上，图像就会发生变化。如果像元入口端的光纤是方形的，出口端的光纤是圆形的，那么方形像元可以变成圆形像元。

总之，光纤传像束具有巨大的发展潜力，在未来的光学信息处理技术中将越来越显示出其独特的作用。

(2)材料加工

加工金属材料时，钻孔、切割、焊接和淬火是最常用的操作。自激光问世以来，在加工的强度、质量和范围上都开创了全新的局面。除了金属材料，激光还可以加工许多非金属材料。

激光钻孔机在激光钻孔机出现之前，各种机械零件都是用电动钻孔机或者冲床钻孔。然而，机械钻孔不仅效率低，而且钻孔的表面也不够光滑。

激光打孔的原理是利用激光束聚光使金属表面的焦点温度迅速上升，温升可达每秒100万度。在热量消散之前，光束熔化金属，直到它蒸发，留下小孔。激光打孔不受被加工材料硬度和脆性的限制，打孔速度极快，快到几千分之一秒甚至几百万分之一秒就能钻出小孔。

比如需要在一张金属板上钻上百个肉眼难以察觉的微孔，用电动钻孔机显然无法胜任，但用激光钻孔机1 ~ 2秒就能完成。如果用放大镜仔细检查这些微孔，可以发现微孔表面非常整齐干净。

激光钻孔也可用于加工手表钻石。每秒可钻20 ~ 30个孔，比机械加工效率高几百倍，而且质量高。同时，激光钻孔和我们下面要讲的激光切割是一样的，加工过程是非接触式的，也就是不像机械加工那样用钢钻逐渐钻透金属材料。因此，激光操作可以在自动连续加工或超净、真空特殊环境中发挥作用。

知道了激光打孔的原理，激光切割机就很容易理解为什么激光可以切割金属材料:只要移动工件或者移动激光束，使钻出的孔排成一行，就可以自然切割材料。而且，无论哪种材料，如钢板、钛板、陶瓷、应时、橡胶、塑料、皮革、化学纤维、木材等。，激光就像一把光剑，削铁如泥，削木如灰，刃口非常光滑。

激光焊接机激光可以用于焊接，因为它的功率密度高。所谓高功率密度，就是每平方厘米可以集中极高的能量。激光的功率密度有多高？我们可以做一个比较:工厂通常用于焊接的乙炔火焰可以将两块钢板焊接在一起，这种火焰的功率密度可以达到每平方厘米1000瓦；而氩弧焊设备的功率密度更高，可以达到每平方厘米10000瓦。但这两种焊接火焰根本不能和激光相比，因为激光的功率密度比它们高千万倍。如此高的功率密度不仅可用于焊接普通金属材料，也可用于焊接硬脆陶瓷。

传统的激光淬火的淬火方法非常简单。先将刀刃烧红，然后突然浸入冷水中。经过这种冷热处理后，刀片的硬度大大提高。但是这样淬火明显不方便，效果也不一定理想。

激光淬火是用激光扫描工具或零件需要淬火的部位，使扫描区域温度上升，而未扫描的部位保持室温。由于金属散热快，激光束一扫，这部分的温度就急剧下降。温度下降越快，硬度越高。如果扫描的零件喷上速冷剂，硬度比普通淬火好很多。

(3)激光照排

照排其实就是引入了光学摄影的原理。用活字排版必须以原稿为准，排版时必须检测各种不同大小和字体的字体和符号。另一方面，照相排版要简单得多。它通过排字机上的镜头改变文字的大小和形状。至于为什么可以用镜片改变文字的大小和形状，其实相当于拿了一面“哈哈镜”。

照相排版时，只需将所需的文字、符号通过镜头成像在相纸上，然后显影、定影，形成照相底片。然后，就像照片一样打印出来。

照相排版可以使用两种光源，只是说普通光源，相比之下激光排版省时省力。由于激光亮度高，光色好，可以大大提高图像的清晰度，打印出来的书质量自然也高。它的原理是什么？先用计算机把文字变成点，再用点控制激光扫描感光胶片，就可以拍出真正的全息照片。

全息摄影和立体摄影是两回事。虽然立体彩色照片看起来明亮、有层次感、富有立体感，但它仍然是一个片面的图像，再好的立体照片也不能代替实物。比如，无论我们怎么改变观察角度，都只能看到照片中的画面，而全息图就不一样了。通过改变观察角度，我们可以看到正方形的六个面。因为全息技术可以将物体的所有几何特征记录在底片上，这也是全息术最重要的特点。

全息摄影的第二个重要特点是，一斑知全豹。当全息图损坏时，即使大部分损坏，我们仍然可以从剩余的一半看到这个全息图中原始物体的全貌。这对于普通照片来说就不好了，即使丢了一个角，也看不到那个角上的图。

全息照片的第三个特点是可以在一张全息底片上分层记录多张全息照片，在显示画面时不会互相干扰。正是这种分层记录使全息照片能够存储大量信息。激光全息照相的底片可以是特种玻璃、乳胶、水晶或热塑性塑料。一个小小的特殊玻璃可以储存一个大型图书馆中数百万本书的全部内容。全息照相术的应用越来越广泛。

全息摄影可以记录珍贵的历史文物。万一文物损坏严重，即使什么都没留下，我们还是可以根据全息术重建。比如北京圆明园这样的景点，当年就被八国联军烧毁了。虽然现在计划重建，但因为不知道原貌，很难完全复原。如果全息术在100年前发明，事情就简单了。

全息照相术也可用于工业中的无损检测。什么是无损检测？也就是说，激光全息技术不仅可以检查产品是否存在任何微小缺陷，而且根本不会损坏这些产品。

更有趣的是，目前全息术还被用于拍摄全息电影和电视，很快观众就会看到现实生活中的影像。即激光“打”在底片上的感光涂层上，留下无数个对应的点，这些点被显影、定影后再次变成文字或图像。这里激光束相当于电子束，感光膜相当于电视屏幕。接下来，您可以用包含文字和图像的底片打印书籍、报纸和杂志。彩电之所以能显示红、绿、蓝，是因为屏幕上涂了三基色荧光粉，在电子的冲击下会呈现三种颜色。激光照排也可以利用类似的原理打印出漂亮的彩色图片。

(4)激光在医学上的应用。

激光在医疗器械领域的应用已有不少成果，可以发挥多种作用，如钻头、手术刀、焊枪等。

焊炬和电钻在眼科，激光主要用于治疗视网膜脱离。视网膜脱离是一种非常棘手的疾病。患者视网膜脱离眼球内壁，无法产生视力。在激光出现之前，我担心病人不可避免地会失明。

现在，医生可以将激光对准患者的眼底，让激光发出一束激光，通过加热使视网膜与眼球内壁重新结合。整个过程不到几分钟，激光束就像焊枪一样焊接病人的视网膜。

除了焊接之外，激光焊枪也可以用于切割。

白内障是老年人的常见病。患者眼球前部的凸透镜由原来的透明弹性体逐渐变得浑浊无弹性，光线无法穿过晶状体，落在眼底视网膜上，患者逐渐看不见东西。治疗白内障的传统方法是在眼球前方切开一个切口，然后通过切口插入一根细金属针。这个金属针温度极低，浑浊的晶状体被冻住粘在针上，然后一起从小孔里取出来。显然整个操作比较麻烦。

如果用医用激光进行治疗，不仅方便，而且有效。只要将激光束对准人工晶状体的正面或背面，就可以快速去除晶状体表面的乱膜。

在牙科，激光可以代替牙钻。据世界卫生组织统计，儿童龋齿发病率相当高，达到75%左右。使用激光治疗牙齿，患者几乎不会感到不适，只要不发炎，一次治疗就能解决问题。牙科激光是激光里最小的弟弟。它的功率很小，只有3瓦，相当于节能灯，几乎不发热。它的发射端实际上是一根细如发丝的光纤。

治疗时，只需将光纤的发射端靠近龋齿病灶，发射激光束，龋齿组织就会分解，然后用清水冲洗干净即可。如果龋齿只是对牙釉质的表面损伤，激光束会将受损区域的微小孔隙逐一封闭，从而阻止乳酸对牙本质的腐蚀。如果有空洞，可以用激光束钻孔清洗后将人工釉质材料填充到空洞内，然后用激光加热接头，使人工釉质材料和牙釉质成为一体。激光治疗牙齿不仅无痛快速，而且治疗后效果显著。

光刀如果要用光刀对患者的膀胱、心脏、肝脏、胃、肠道等重要内脏进行手术，那就比较困难了。激光如何进入人的内脏？这要靠医生手里的一个宝贝，就是激光光纤内窥镜。

所谓内窥镜，就是医生用来插入人体直接观察器官的光学装置。而通常的内窥镜比较大，比较粗糙，只能从患者口中沿食道插入胃内进行观察。插胃很难受，病人会觉得很痛。激光纤维内窥镜则完全不同。由光纤制成的内窥镜柔软、薄且柔韧。当它被插入到病人的胃里时，不会有疼痛。除了胃，光纤内窥镜还可以进入其他重要器官。激光纤维内窥镜一方面可以用来检查病人的器官是否有病变，更重要的是可以将激光能量输入内脏对病变组织进行照射，即切除病变组织，起到手术刀的作用。而且用激光刀切割，伤口可以自动止血，不需要结扎出血点，大大缩短了手术时间，伤口也不会发炎。如果用激光刀切除恶性肿瘤，还可以防止癌细胞扩散。

(5)激光武器

激光导弹海湾战争期间，以美国为首的多国部队在伊拉克发动大规模空袭，摧毁了伊拉克多个重要军事目标。最后，战争以伊拉克的失败而告终。有人说海湾战争是先进武器的较量，确实如此。

美国飞机装有激光瞄准器，可以发射红外激光。侦察机在空中发现地面目标，就在空中盘旋，用激光瞄准器向目标发射激光束。这种激光束实际上起着导向的作用。这时，执行攻击任务的其他飞机飞了进来，向目标投下了激光制导导弹。这些激光制导导弹装备有自动跟踪系统。这个自动跟踪系统相当于导弹的眼睛。当导弹扑向目标时，可以根据目标反射的制导激光不断修正飞行中的航向，从而准确命中目标。

事实上，这种激光制导导弹早在上世纪70年代就被美国用于越南战场。现在不仅有空对地导弹，还有地对地、空对空、地对空等激光导弹。

今天，人们已经能够将无线电搜索雷达和激光雷达结合起来，形成一个作战系统。例如，当无线电雷达发现空中目标(敌机或导弹)时，它可以精确测量目标的高度、方位和速度。只要目标进入一定范围，激光雷达就会开启，发射非常细的激光束，紧紧盯着它，精确测量目标的位置。然后发射的激光导弹会根据激光雷达提供的引导激光束准确命中目标并将其摧毁。这种激光导弹可以很容易地部署在卡车上，或者改装成反坦克导弹。

目前研制的反坦克激光导弹可以从地面发射，也可以从直升机上发射。导弹上装有半导体激光器，起到自动跟踪目标的作用，使导弹百发百中击中坦克。

激光雷达虽然精度高、体积小、操作灵巧、转移方便，但也有一些缺点，即容易受气象条件限制，不适合大范围搜索目标。所以一般与无线电雷达配合使用，取长补短。

激光枪和激光炮所谓激光枪和激光炮，都属于激光战术武器。它们的形状像枪和大炮，但不是子弹和炮弹，而是发射激光束，造成敌人伤亡或失明。这种枪的威力与自身能量和射击距离有关。目前激光枪和激光炮的有效射程都不远，所以死光的威力有限。

但是，死光武器的前景是无法估量的。激光束的能量一旦增大，有效距离增大，就会变成名副其实的死光。比如用激光炮在10000米的高度打飞机，因为激光束的速度是每秒300000公里，打飞机只需要30000秒。在这短暂的瞬间，飞机在空中只能向前移动几厘米。这样，对于死光来说，移动的飞机实际上已经成了死靶，会死。照此计算，即使是射向距离千千数米远的导弹，也只需要零点几秒的时间就死了，而在这一瞬间，导弹只能向前飞几十米。所以死光有足够的时间摧毁外太空的导弹。

此外，激光可以不断改变方向，瞄准各种目标并逐一摧毁，从经济上讲，制造激光炮比洲际导弹便宜得多。