神通激光

第一节 目标一致齐向前

　　激光，这个时代的骄子，现代科学技术的奇才，从它诞生的那一天起，就受到科学家们的宠爱，得到各行各业人们的青睐，如今更是身手不凡，到处留下它光辉的足迹。这是为什么呢？因为它具有极不寻常的品格……

　　在我们的日常生活、生产活动和科学实验中，事事离不开光，处处少不了光源。太阳是天然光源，各种各样的灯都是人造光源。天然光源也好，人造光源也好，这些普通光源的发光方式都是一样的——光向四面八方放射开去。

　　光源向周围放射“光线”，这是我们已经见惯了的，也是非常熟悉的现象，甚至一提到太阳或电灯，我们的脑海里马上就会出现那种“光芒四射”的情景。当我们画一张简笔画的时候，要在画中画上一个太阳，就先在纸上画一个圆圈，然后在它的周围画出一些向外放射的“光线”。和这种情形相似，描绘一幅夜晚景象，譬如说，画一幅“园丁灯下批作业”，要在画中画出一盏亮着的电灯，也是先画一个灯泡，然后在它周围画出一些向外放射的“光线”。

　　可是，无论在生产和生活当中，还是在科研和军事方面，往往不希望“光芒四射”，需要的是光线聚拢成“一束”，朝着一个需要照射的目标投射过去。比如，我们日常生活中用的手电筒，一按开关，一支圆圆的光束直溜溜地发射出去。夜晚，在没有路灯的地方行走，或者在没有灯光的地方找东西，手电筒就成了好帮手，我们可以随意让它把光束投射到需要照亮的地方去。

　　手电筒为什么能够将光线聚拢起来而投射到一定的方向去呢？这是因为，在手电筒前头那个小圆玻璃“窗口”里，有一个凹面的镜子。它就像一个金属制的小碗，内表面电镀得铮亮铮亮的，反光能力特别强。在凹球面顶部有个圆孔，小灯泡就从这个圆孔把小圆球形的头伸进来。小灯泡发出的光，一部分光直接从小玻璃“窗口”射出去，大部分光投射到凹球面镜面上以后反射回来，因而聚拢在一起从“窗口”射出去，形成一支圆圆的光柱。

　　凹球面反光镜它是一种小的像饭碗、大的像铁锅的凹形物件。凹球面反光镜的作用是很奇妙的，如果让它凹进去的镜面对着太阳，阳光照射到镜面上，又被反射回来，反射光集聚于一点F，在这个位置放置一张纸或其他什么易燃的东西，就会被烤焦，甚至能着起火来，由于这个缘故，人们把这个点F叫做焦点。反过来，如果在它的焦点位置放一个小灯泡，灯光投射到镜面上以后，被反射回来而成为一束平行光束，向着一个方向照射出去。这就是手电筒光柱形成的原理。

　　利用光滑的球面或抛物面的凹面来反射光的镜子，通常称为凹面镜或凹镜。汽车的照明灯、火车的车头灯、货场的探照灯、交通的信号灯等都是利用凹面镜形成平行光束的。

　　除了凹面镜之外，人们还利用凸透镜或者几块镜片构成的透镜组来聚拢光线。

　　凸透镜，它是一块透明的玻璃，一面是球面，另一面是平面或球面，构成一个中心部分厚而边缘部分薄的镜片。凸透镜的作用也是很奇妙的，一束平行光线投射到凸透镜上，经过凸透镜折射以后，会聚于一点，这个点是它的焦点。如果是阳光会聚在这一点，就能把香烟点着，或把纸烧焦，甚至着起火来。凸透镜能够使一束平行光线会聚到一点，故又称为会聚透镜。反过来，如果在它的焦点位置放一个小灯泡，灯光投射到透镜上，经过透镜折射以后，会形成一束平行光，像凹面镜那样，一个直溜溜的光柱投射出去。人们利用凸透镜的这个特性，制成了各种仪器和用具。舞台用的聚光灯就是利用会聚透镜（也叫聚光镜）形成光束，跟踪和照亮歌手、舞蹈演员。

　　尽管人们采用凹面镜、聚光镜之类的光学器件，将光束加以会聚集中，但光束仍然具有一定的散开角度。例如，定向性能比较好的聚光灯。它照射距离只有几公里远，1米直径的光束照射到几公里远处，光束直径竟然扩大到几十米，像个长长的喇叭，因而光大大减弱，被照射面上的光斑大而暗淡。

　　对于普通光源发出的光，无论采取什么样的聚光技术都不能把它聚拢成为一束理想的平行光束，集中照射一个特定的方向。这就难怪激光一出现就受到人们的青睐了。激光器与普通光源发出的光完全不同，激光是人们梦寐以求的方向性极好的光束！

　　激光，从激光器里一出来，就向着一个确定的方向发射过去。激光光束发散角很小，只有几分，甚至可以小到1秒以内，比已掌握的各种各样电磁波发散角度都小。也就是说，激光器发出的激光束本身几乎就是一束平行光束。

　　激光器发射的激光束的定向性极高，要比探照灯的定向性高几千倍。例如，一台氦氖激光器发出的激光平行光束，照射到20公里远处，光束的直径只扩大10厘米。激光束发射到38万公里之外的月球上去，光束在月球表面上投下的光斑直径不到2公里。如果探照灯的光束能够照射到月球上去的话，它的光束直径就要扩大到几千公里那么大的范围。相比之下，激光束的平行性和定向性是多么好，而探照灯光束的平行性和定向性又差得多么远啊！更有趣的是，激光束发射到月球上之后，光束散开得很少，能量损失得不多，它直去直回，还可以从月球反射回到地面上来。正因为这样，人们采用激光来精确测定地球和月球之间的距离，测量的误差不超过1米。

　　激光的方向性这么好，是因为有一个特殊的激光的形成和发射的结构，就像子弹从枪筒里发射出去那样。一颗子弹在弹仓里受到击发，就沿着枪筒向前跑，在枪筒的导向作用下，子弹便确定了它的前进方向。激光束也有它的“光发射枪”，名叫激光器的谐振腔，只有那些传播方向严格地与谐振腔轴线平行的光子，才能在谐振腔里通过来回反射而形成“受激”放大。全部光子都必须目标一致齐向前，方向稍有偏离的光子都要被淘汰掉，这样，从激光器输出的激光束便是与激光器谐振腔的轴线完全平行一致的光束。激光器的指向就是激光束的确定方向。由于光是直线前进的，绝不会像子弹那样在空中走抛物线的道路，因此，激光器指向哪里，激光束就打到哪里，准确无误。

　　高定向性是激光的第一大特点。这一优异品格在准直、测距、通讯等领域都大有用场。例如，在建设施工中常常要进行“调调线”——刨一块木板，用眼睛瞄一瞄平直不平直；砌一堵砖墙，拉一根线绳作基准；修一条路，或者兴建一项工程，那就要用水平仪或经纬仪来测量了。这些工作都是“准直”工作，如今最好的准直工具是激光准直仪。又如，在大海上，一艘船给另一艘船发信号，白天，可以打旗语，夜里，可以打灯光，这是在大气中进行通信联络的最简单通信方式。现在有了激光，大气光通信便有了最好的工具。激光发散角小，到达接收一方的光束的光斑直径很小，在这个光斑以外的地方是收不到信号的，有利于保密，而且能量集中，传送距离可以很远，适合于进行长距离通信联络。