神通激光

第一節 目標一致齊向前

　　激光，這個時代的驕子，現代科學技術的奇才，從它誕生的那一天起，就受到科學家們的寵愛，得到各行各業人們的青睞，如今更是身手不凡，到處留下它光輝的足跡。這是為什麽呢？因為它具有極不尋常的品格……

　　在我們的日常生活、生產活動和科學實驗中，事事離不開光，處處少不了光源。太陽是天然光源，各種各樣的燈都是人造光源。天然光源也好，人造光源也好，這些普通光源的發光方式都是一樣的——光向四麵八方放射開去。

　　光源向周圍放射“光線”，這是我們已經見慣了的，也是非常熟悉的現象，甚至一提到太陽或電燈，我們的腦海裏馬上就會出現那種“光芒四射”的情景。當我們畫一張簡筆畫的時候，要在畫中畫上一個太陽，就先在紙上畫一個圓圈，然後在它的周圍畫出一些向外放射的“光線”。和這種情形相似，描繪一幅夜晚景象，譬如說，畫一幅“園丁燈下批作業”，要在畫中畫出一盞亮著的電燈，也是先畫一個燈泡，然後在它周圍畫出一些向外放射的“光線”。

　　可是，無論在生產和生活當中，還是在科研和軍事方麵，往往不希望“光芒四射”，需要的是光線聚攏成“一束”，朝著一個需要照射的目標投射過去。比如，我們日常生活中用的手電筒，一按開關，一支圓圓的光束直溜溜地發射出去。夜晚，在沒有路燈的地方行走，或者在沒有燈光的地方找東西，手電筒就成了好幫手，我們可以隨意讓它把光束投射到需要照亮的地方去。

　　手電筒為什麽能夠將光線聚攏起來而投射到一定的方向去呢？這是因為，在手電筒前頭那個小圓玻璃“窗口”裏，有一個凹麵的鏡子。它就像一個金屬製的小碗，內表麵電鍍得錚亮錚亮的，反光能力特別強。在凹球麵頂部有個圓孔，小燈泡就從這個圓孔把小圓球形的頭伸進來。小燈泡發出的光，一部分光直接從小玻璃“窗口”射出去，大部分光投射到凹球麵鏡麵上以後反射回來，因而聚攏在一起從“窗口”射出去，形成一支圓圓的光柱。

　　凹球麵反光鏡它是一種小的像飯碗、大的像鐵鍋的凹形物件。凹球麵反光鏡的作用是很奇妙的，如果讓它凹進去的鏡麵對著太陽，陽光照射到鏡麵上，又被反射回來，反射光集聚於一點F，在這個位置放置一張紙或其他什麽易燃的東西，就會被烤焦，甚至能著起火來，由於這個緣故，人們把這個點F叫做焦點。反過來，如果在它的焦點位置放一個小燈泡，燈光投射到鏡麵上以後，被反射回來而成為一束平行光束，向著一個方向照射出去。這就是手電筒光柱形成的原理。

　　利用光滑的球麵或拋物麵的凹麵來反射光的鏡子，通常稱為凹麵鏡或凹鏡。汽車的照明燈、火車的車頭燈、貨場的探照燈、交通的信號燈等都是利用凹麵鏡形成平行光束的。

　　除了凹麵鏡之外，人們還利用凸透鏡或者幾塊鏡片構成的透鏡組來聚攏光線。

　　凸透鏡，它是一塊透明的玻璃，一麵是球麵，另一麵是平麵或球麵，構成一個中心部分厚而邊緣部分薄的鏡片。凸透鏡的作用也是很奇妙的，一束平行光線投射到凸透鏡上，經過凸透鏡折射以後，會聚於一點，這個點是它的焦點。如果是陽光會聚在這一點，就能把香煙點著，或把紙燒焦，甚至著起火來。凸透鏡能夠使一束平行光線會聚到一點，故又稱為會聚透鏡。反過來，如果在它的焦點位置放一個小燈泡，燈光投射到透鏡上，經過透鏡折射以後，會形成一束平行光，像凹麵鏡那樣，一個直溜溜的光柱投射出去。人們利用凸透鏡的這個特性，製成了各種儀器和用具。舞台用的聚光燈就是利用會聚透鏡（也叫聚光鏡）形成光束，跟蹤和照亮歌手、舞蹈演員。

　　盡管人們采用凹麵鏡、聚光鏡之類的光學器件，將光束加以會聚集中，但光束仍然具有一定的散開角度。例如，定向性能比較好的聚光燈。它照射距離隻有幾公裏遠，1米直徑的光束照射到幾公裏遠處，光束直徑竟然擴大到幾十米，像個長長的喇叭，因而光大大減弱，被照射麵上的光斑大而暗淡。

　　對於普通光源發出的光，無論采取什麽樣的聚光技術都不能把它聚攏成為一束理想的平行光束，集中照射一個特定的方向。這就難怪激光一出現就受到人們的青睞了。激光器與普通光源發出的光完全不同，激光是人們夢寐以求的方向性極好的光束！

　　激光，從激光器裏一出來，就向著一個確定的方向發射過去。激光光束發散角很小，隻有幾分，甚至可以小到1秒以內，比已掌握的各種各樣電磁波發散角度都小。也就是說，激光器發出的激光束本身幾乎就是一束平行光束。

　　激光器發射的激光束的定向性極高，要比探照燈的定向性高幾千倍。例如，一台氦氖激光器發出的激光平行光束，照射到20公裏遠處，光束的直徑隻擴大10厘米。激光束發射到38萬公裏之外的月球上去，光束在月球表麵上投下的光斑直徑不到2公裏。如果探照燈的光束能夠照射到月球上去的話，它的光束直徑就要擴大到幾千公裏那麽大的範圍。相比之下，激光束的平行性和定向性是多麽好，而探照燈光束的平行性和定向性又差得多麽遠啊！更有趣的是，激光束發射到月球上之後，光束散開得很少，能量損失得不多，它直去直回，還可以從月球反射回到地麵上來。正因為這樣，人們采用激光來精確測定地球和月球之間的距離，測量的誤差不超過1米。

　　激光的方向性這麽好，是因為有一個特殊的激光的形成和發射的結構，就像子彈從槍筒裏發射出去那樣。一顆子彈在彈倉裏受到擊發，就沿著槍筒向前跑，在槍筒的導向作用下，子彈便確定了它的前進方向。激光束也有它的“光發射槍”，名叫激光器的諧振腔，隻有那些傳播方向嚴格地與諧振腔軸線平行的光子，才能在諧振腔裏通過來回反射而形成“受激”放大。全部光子都必須目標一致齊向前，方向稍有偏離的光子都要被淘汰掉，這樣，從激光器輸出的激光束便是與激光器諧振腔的軸線完全平行一致的光束。激光器的指向就是激光束的確定方向。由於光是直線前進的，絕不會像子彈那樣在空中走拋物線的道路，因此，激光器指向哪裏，激光束就打到哪裏，準確無誤。

　　高定向性是激光的第一大特點。這一優異品格在準直、測距、通訊等領域都大有用場。例如，在建設施工中常常要進行“調調線”——刨一塊木板，用眼睛瞄一瞄平直不平直；砌一堵磚牆，拉一根線繩作基準；修一條路，或者興建一項工程，那就要用水平儀或經緯儀來測量了。這些工作都是“準直”工作，如今最好的準直工具是激光準直儀。又如，在大海上，一艘船給另一艘船發信號，白天，可以打旗語，夜裏，可以打燈光，這是在大氣中進行通信聯絡的最簡單通信方式。現在有了激光，大氣光通信便有了最好的工具。激光發散角小，到達接收一方的光束的光斑直徑很小，在這個光斑以外的地方是收不到信號的，有利於保密，而且能量集中，傳送距離可以很遠，適合於進行長距離通信聯絡。