神通激光

第二节 单纯朴实更可贵

　　太阳光和白炽灯光都是复色光，如前面讲的那样，复色光通过三棱镜分解为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种单色光。光的颜色是由光的波长决定的，这7种单色光的颜色不同是因为它们的波长不同，在人的眼睛的视网膜上引起的视觉不同。

　　人的眼睛是一种非常巧妙的器官，具有彩色照相机的全部本事。来自外界景物的光线经过眼睛前面的晶状体，就像经过照相机镜头那样形成实像，这个实像恰好形成在眼睛后面的视网膜上。视网膜上有许许多多的视神经细胞：一种是棒状细胞，能够分辨明暗；另一种是锥状细胞，能够分辨颜色。当一景物成像在视网膜上的时候，视神经细胞即感受到了明暗和颜色，并把自己的感受报告给“总指挥部”——大脑。这样，人就看到了景物，其中包括锥状细胞报告的信息——景物的颜色。

　　然而，眼睛的本事毕竟是有限的，只能看见波长0.39-0.76微米范围的白光一家。前面讲过，红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫这7种色光组成一条艳丽的彩带，我们把它叫做光谱。这是白光的光谱，人眼睛能看见的，只有这一家子。正因为这样，白光的一家叫做可见光。这一家子的左邻右舍，还有许许多多看不见的光线。在7色彩带紫光一端的外边，有比紫光波长更短的紫外线；在7色彩带红光一端的外边，有比红光波长更长的红外线。这些都是波长比可见光或长或短的不可见光线。

　　白光是由7种不同的单色光复合成的，每一种单色光都有一定的频率和波长。

　　其实，这7种单色光中的每一种色光，也都不是很单纯的。以往人们所获得的任何一种单色光，都不是严格的只含有一种频率的光子，换句话说，不是单一波长，而是具有一个波长范围。既然复色光能够分解成单色光，那么，具有一定波长范围的单色光能不能再分解呢？也能分解。不过，单色光分解后，不会出现一段连续的彩带，而是形成一条条分立的亮线，叫做谱线。

　　谱线究竟是怎么回事呢？

　　炽热的固体、液体或高热气体发光所形成的光谱，是由红到紫一切波长的光组成的连续彩带，因而称为连续光谱。白炽电灯发光，灯丝温度达2000℃左右，这是炽热的固体发光。熔融钢水发光，温度也达2000℃左右，这是炽热的液体发光。这些东西发出的光，通过三棱镜形成的都是连续光谱。

　　一束光，如果只含有一种或几种波长的不连续的光波，光谱就是另一种样子了。譬如说，由稀薄气体或蒸气在高温下发光形成的光谱，就是由一条或若干条不连续的明线所组成，因而叫做明线光谱。例如，把盐类粉末放在煤气灯或酒精灯的火焰中，盐类在高温下分解，其中金属蒸发后的炽热蒸气也会发光。这种火焰发出的光色散后，除了火焰本身形成的微弱的连续光谱外，还在连续光谱的背景上出现由炽热的金属蒸气发光形成的一些明线。采取封闭玻璃管内稀薄气体辉光放电的办法，也能得到这种气体的明线光谱。

　　明线光谱是游离状态的原子发光产生的，因而叫做原子光谱。各种物质的原子都有一定的明线光谱；原子不同，明线光谱也不同。每一种原子在发光时只能发出它独有的、具有原子本身特征的那些波长的光。由于这个缘故，明线光谱的谱线就叫做该元素原子的特征谱线或标识谱线。

　　和明线光谱相反，高温物体发出的白光，穿过温度较低的蒸气或气体之后形成的光谱，在连续光谱背景上分布有许多暗线，这种光谱叫做吸收光谱。例如，弧光灯发出的白光穿过低温的钠的蒸气，经过棱镜色散以后形成的光谱就是吸收光谱，即背景是明亮的连续光谱，而在钠的黄色特征谱线的位置处出现了暗线。同样的，白光穿过别的元素的低温蒸气，则在连续光谱的背景上该元素的特征谱线位置处，就会出现这种元素的相应的暗线。各种原子的吸收光谱中的每一条暗线，都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体原子所能吸收的光，跟这种原子在高温时所能发出的光是一致的。

　　在激光出现以前，人们所能得到的任何一种单色光，经过分解（色散）以后，在形成的光谱中并不是只含有一条谱线。也就是说，以往人们所得到的单色光远远不够单纯，它包含一定波长范围的光波波长，因此，那些单色光的谱线也具有一定的宽度。

　　单色光的波长范围就是单色光的谱线宽度。波长范围越小，谱线宽度越窄，这种单色光就越单纯，我们就说它的单色性好；反之，波长范围越大，谱线宽度越宽，这种单色光就越是不纯，我们就说它的单色性差。因此，谱线宽度是衡量光源单色性好坏的标志。

　　通常，我们说的单色光，是指谱线宽度很窄的一段光波。如果用λ表示光波的波长，则Δλ表示这种光波的谱线宽度。一种单色光谱线宽度越窄，Δλ越小，这种单色光就越纯，也就是说，它的单色性好。例如，普通光源中的氪（K86）灯发出的光，是单色光中较纯的，它的波长λ=0.6057微米，谱线宽度Δλ=0.00000047微米。

　　长期以来，科学家们不断寻求纯而又纯的单色光，创造出多种多样能发射单色光的光源，即单色光源。但是，无论哪一种单色光源，所发出的光的纯度都不够理想。直到激光器诞生之后，人们才获得了真正的单色光源。

　　激光的单色性最好，光色最单纯。例如，氦-氖激光器发出的单色光，是一束极单纯的红光，波长λ=0.6328微米，谱线宽度Δλ=0.00000000001微米。由此可见，氦-氖激光器发射的光的单色性比一般单色光源的单色性高几万倍！

　　激光是目前最好的单色光。

　　激光的单色性这么好，是因为激光的全体光子在它们生长的“摇篮”和“学校”——激光器的谐振腔里训练有素，并经过严格的优化选择，才形成一个纯而又纯的光子队伍（后面将要详细地介绍）。在谐振腔里，诱发产生的“受激辐射”光子绝大多数都是符合一定特点的两个能级差的特征相同的光子，而从能级间跃迁产生的其他频率的光子数目很少。而且，由于谐振腔的两个反射镜面间有严格的距离，“受激辐射”光子队伍在两个反射镜面间来回反射，恰好以相同的“相位”迭加而得到加强，其他频率的光子相互迭加则被削弱下去。

　　激光的高单色性，是激光的第二大特点。激光这种优异品格在精密测量、定位、测速、检查平晶加工质量等方面都大有用武之地。例如，可以用稳定输出的激光波长作为长度计量单位，从而使测量精度和可测距离大大提高。单色性越好，可测量的长度越长，精度也越高。目前，激光精密测长仪已成为理想的精密测量工具。