激光們，正步走！
激光是非常優秀的光，作為「最快的刀」和「最準的尺」應用於各個領域。據說激光照射到30萬千米之外的月球上，光斑都不到兩千米寬。
激光為什麼有這麼優秀的品質?因為組成激光的光子就像個頭一樣高、訓練有素、紀律嚴明的士兵一樣，列隊整齊、步伐一致地向前走，換句話說，激光中的光子很純，它們的頻率、振動方向和傳播方向都相同。而普通的光，例如太陽光，其光子很雜，且秩序混亂，向哪個方向，以什麼姿勢「走」的都有。
激光怎麼變「白」?
激光似乎天生就是顏色單一、朝一個方向傳播的光。而白光是「雜牌軍」，各種顏色的光都有。那麼激光有沒有可能變「白」呢?如果一種光，既是激光，又是白光，同時具有白光和激光的優秀品質，可以做很多普通激光做不到的事情。
這樣的光會存在嗎?分析一下，如果激光的光子們沒有「個頭一樣，步伐一致」，但它們又「列隊整齊，以同樣的姿勢向同一個方向走」，會怎麼樣?也就是光子們的波長和頻率不同，但振動方向一致，傳播方向也一致。這樣的光應該是白光，也應該具有激光的一些性質。
其實，這樣的光在40年前就出現了!那是在1969年，美國通用電話電子實驗室的兩位研究人員用強度非常高、持續時間只有幾個皮秒(1皮秒=10-12秒)的綠色激光穿過一些特殊的晶體，他們的本意是想觀察晶體振動持續的時間，結果卻在晶體的另一端觀察到了白激光!
激光為何會變「白」呢?原來，激光的光子在穿越晶體的過程中經歷了奇遇：激光的強度很高時，光子容易碰到晶體中原子的電子云，並被電子云拽長;而激光的強度低時，激光光子就不會被電子云干擾。激光器發射的激光強度總是在變化，這樣有的光子就被電子云拽長了，有的卻沒有受到影響，每個光子被拽長的程度不同，於是激光從晶體中射出時，光子們就變成了「個頭不同」、也就是波長不同的白激光了。
雖然這些光子的「身材」發生了變化，但它們還是盡量聽從命令，以標準姿勢，列隊整齊地向一個方向前進。因此，它們還算是激光。只是因為它們「有的腿長，有的腿短」，前進距離遠了，受周圍環境的影響不同，傳播方向就會受到影響。因此要把白激光投射到月球上，光斑可就不止兩千米寬了。
未來的數據傳輸利器
我們知道，白激光的光子雖然「個頭不同，步伐的頻率不同」，但它們卻都是以同樣的姿勢在一個方向上「踏步」的，如果給它們重新「分隊」，「個頭」一樣的在一個「隊」中，它們就可以分成很多標準的「方隊」，每個「方隊」就像單色激光一樣，「個頭一樣、步伐一致、列隊整齊」了。因此可以說，白激光相當於許多頻率的單色激光「擰」在一起了。
現在的光纖通信，利用的是激光光子振動方向一致的性質，頻率和振動方向一致的光子相遇時，就像兩列同樣的水波相遇一樣，能量可以相互抵消或加強，可以把信息轉化為光強信號進行傳遞，之後，光強信號再進一步轉換成數字信號。只是現在用單色激光傳遞信息的速度有限，因為一種頻率的光只能攜帶一種信息。為了獲得高速的信息傳遞，目前的做法就是用幾百個激光器同時發射激光，不同頻率的激光信號同時穿過光纖，才可以滿足一定的需求，依靠這種方式，兩座城市之間典型的光纖通信傳輸速率，只能達到每秒1萬兆比特左右。
而白激光出馬，情況就不同了。大量不同頻率的激光「擰」在一起，相當於大量激光器同時發射的激光，每種頻率的激光攜帶信息後同時在光纖中傳播，大大提高了電信數據傳輸速率，達到每秒百萬兆比特，甚至十億兆比特，這樣就可以很容易滿足全球大容量通信和網路數據傳輸的需求了。
現在日本的幾個研究小組利用白激光，已經實現了每秒百萬兆比特的數據傳輸速率，更快的傳輸速率，也是指日可待。
更寬闊的表演舞台
白激光還能在探測大氣環境時大顯身手。例如，空氣中不同的污染物和懸浮物吸收的是不同頻率的光，例如有的吸收紫外線，有的吸收藍光，有的吸收紅光……如果我們向高空發射白激光，通過檢測白激光被吸收的情況，就可以知道大氣中含有什麼樣的污染物或懸浮物了。
對視網膜、癌細胞等微小結構的觀察，也需要白激光來幫忙。以前用普通激光作為光源時，得到的圖像是單顏色的，相當於黑白照片，會漏掉很多信息。如果採用白激光作為光源，我們將得到一幅彩色圖像，獲得更多的細節信息，也會相應提高成像的解析度。目前採用單色激光，2微米以下的細微結構我們就看不清了;而採用白激光，我們可以看清0.5微米左右的細胞內部結構，這樣我們就可以了解細胞更細微的結構了。
白激光還有更大的用途。比如現在最精確的時間——原子時，是用銫原子電子的特定頻率來定義的，從精確性上看已經很不錯了。但是對於光合作用、化學反應的各個步驟、視網膜中光子是如何被吸收的……這些事件的持續過程可能只有幾個皮秒或幾個飛秒(1飛秒=10-15秒)，原子時的精度就不夠了。而用已知頻率的白激光做為時間的度量工具，可以把精確性從原子時的級別提高100倍，一些稍縱即逝的事件就可以研究了。
白激光甚至還可以驗證狹義相對論，探測宇宙空間是不是均勻，等等。白激光真是多才多藝!
TAG:大科技雜誌社 |