神通激光

第二節 單純樸實更可貴

　　太陽光和白熾燈光都是複色光，如前麵講的那樣，複色光通過三棱鏡分解為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫7種單色光。光的顏色是由光的波長決定的，這7種單色光的顏色不同是因為它們的波長不同，在人的眼睛的視網膜上引起的視覺不同。

　　人的眼睛是一種非常巧妙的器官，具有彩色照相機的全部本事。來自外界景物的光線經過眼睛前麵的晶狀體，就像經過照相機鏡頭那樣形成實像，這個實像恰好形成在眼睛後麵的視網膜上。視網膜上有許許多多的視神經細胞：一種是棒狀細胞，能夠分辨明暗；另一種是錐狀細胞，能夠分辨顏色。當一景物成像在視網膜上的時候，視神經細胞即感受到了明暗和顏色，並把自己的感受報告給“總指揮部”——大腦。這樣，人就看到了景物，其中包括錐狀細胞報告的信息——景物的顏色。

　　然而，眼睛的本事畢竟是有限的，隻能看見波長0.39-0.76微米範圍的白光一家。前麵講過，紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫這7種色光組成一條豔麗的彩帶，我們把它叫做光譜。這是白光的光譜，人眼睛能看見的，隻有這一家子。正因為這樣，白光的一家叫做可見光。這一家子的左鄰右舍，還有許許多多看不見的光線。在7色彩帶紫光一端的外邊，有比紫光波長更短的紫外線；在7色彩帶紅光一端的外邊，有比紅光波長更長的紅外線。這些都是波長比可見光或長或短的不可見光線。

　　白光是由7種不同的單色光複合成的，每一種單色光都有一定的頻率和波長。

　　其實，這7種單色光中的每一種色光，也都不是很單純的。以往人們所獲得的任何一種單色光，都不是嚴格的隻含有一種頻率的光子，換句話說，不是單一波長，而是具有一個波長範圍。既然複色光能夠分解成單色光，那麽，具有一定波長範圍的單色光能不能再分解呢？也能分解。不過，單色光分解後，不會出現一段連續的彩帶，而是形成一條條分立的亮線，叫做譜線。

　　譜線究竟是怎麽回事呢？

　　熾熱的固體、液體或高熱氣體發光所形成的光譜，是由紅到紫一切波長的光組成的連續彩帶，因而稱為連續光譜。白熾電燈發光，燈絲溫度達2000℃左右，這是熾熱的固體發光。熔融鋼水發光，溫度也達2000℃左右，這是熾熱的液體發光。這些東西發出的光，通過三棱鏡形成的都是連續光譜。

　　一束光，如果隻含有一種或幾種波長的不連續的光波，光譜就是另一種樣子了。譬如說，由稀薄氣體或蒸氣在高溫下發光形成的光譜，就是由一條或若幹條不連續的明線所組成，因而叫做明線光譜。例如，把鹽類粉末放在煤氣燈或酒精燈的火焰中，鹽類在高溫下分解，其中金屬蒸發後的熾熱蒸氣也會發光。這種火焰發出的光色散後，除了火焰本身形成的微弱的連續光譜外，還在連續光譜的背景上出現由熾熱的金屬蒸氣發光形成的一些明線。采取封閉玻璃管內稀薄氣體輝光放電的辦法，也能得到這種氣體的明線光譜。

　　明線光譜是遊離狀態的原子發光產生的，因而叫做原子光譜。各種物質的原子都有一定的明線光譜；原子不同，明線光譜也不同。每一種原子在發光時隻能發出它獨有的、具有原子本身特征的那些波長的光。由於這個緣故，明線光譜的譜線就叫做該元素原子的特征譜線或標識譜線。

　　和明線光譜相反，高溫物體發出的白光，穿過溫度較低的蒸氣或氣體之後形成的光譜，在連續光譜背景上分布有許多暗線，這種光譜叫做吸收光譜。例如，弧光燈發出的白光穿過低溫的鈉的蒸氣，經過棱鏡色散以後形成的光譜就是吸收光譜，即背景是明亮的連續光譜，而在鈉的黃色特征譜線的位置處出現了暗線。同樣的，白光穿過別的元素的低溫蒸氣，則在連續光譜的背景上該元素的特征譜線位置處，就會出現這種元素的相應的暗線。各種原子的吸收光譜中的每一條暗線，都跟該種原子的發射光譜中的一條明線相對應。這表明，低溫氣體原子所能吸收的光，跟這種原子在高溫時所能發出的光是一致的。

　　在激光出現以前，人們所能得到的任何一種單色光，經過分解（色散）以後，在形成的光譜中並不是隻含有一條譜線。也就是說，以往人們所得到的單色光遠遠不夠單純，它包含一定波長範圍的光波波長，因此，那些單色光的譜線也具有一定的寬度。

　　單色光的波長範圍就是單色光的譜線寬度。波長範圍越小，譜線寬度越窄，這種單色光就越單純，我們就說它的單色性好；反之，波長範圍越大，譜線寬度越寬，這種單色光就越是不純，我們就說它的單色性差。因此，譜線寬度是衡量光源單色性好壞的標誌。

　　通常，我們說的單色光，是指譜線寬度很窄的一段光波。如果用λ表示光波的波長，則Δλ表示這種光波的譜線寬度。一種單色光譜線寬度越窄，Δλ越小，這種單色光就越純，也就是說，它的單色性好。例如，普通光源中的氪（K86）燈發出的光，是單色光中較純的，它的波長λ=0.6057微米，譜線寬度Δλ=0.00000047微米。

　　長期以來，科學家們不斷尋求純而又純的單色光，創造出多種多樣能發射單色光的光源，即單色光源。但是，無論哪一種單色光源，所發出的光的純度都不夠理想。直到激光器誕生之後，人們才獲得了真正的單色光源。

　　激光的單色性最好，光色最單純。例如，氦-氖激光器發出的單色光，是一束極單純的紅光，波長λ=0.6328微米，譜線寬度Δλ=0.00000000001微米。由此可見，氦-氖激光器發射的光的單色性比一般單色光源的單色性高幾萬倍！

　　激光是目前最好的單色光。

　　激光的單色性這麽好，是因為激光的全體光子在它們生長的“搖籃”和“學校”——激光器的諧振腔裏訓練有素，並經過嚴格的優化選擇，才形成一個純而又純的光子隊伍（後麵將要詳細地介紹）。在諧振腔裏，誘發產生的“受激輻射”光子絕大多數都是符合一定特點的兩個能級差的特征相同的光子，而從能級間躍遷產生的其他頻率的光子數目很少。而且，由於諧振腔的兩個反射鏡麵間有嚴格的距離，“受激輻射”光子隊伍在兩個反射鏡麵間來回反射，恰好以相同的“相位”迭加而得到加強，其他頻率的光子相互迭加則被削弱下去。

　　激光的高單色性，是激光的第二大特點。激光這種優異品格在精密測量、定位、測速、檢查平晶加工質量等方麵都大有用武之地。例如，可以用穩定輸出的激光波長作為長度計量單位，從而使測量精度和可測距離大大提高。單色性越好，可測量的長度越長，精度也越高。目前，激光精密測長儀已成為理想的精密測量工具。