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作者:于文

出版社:辽海出版社

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激光聚焦

激光聚焦试读:

前言

科学是人类进步的第一推动力,而科学知识的普及则是实现这一推动的必由之路。在新的时代,社会的进步、科技的发展、人们生活水平的不断提高,为我们青少年的科普教育提供了新的契机。抓住这个契机,大力普及科学知识,传播科学精神,提高青少年的科学素质,是我们全社会的重要课题。

科学教育,是提高青少年素质的重要因素,是现代教育的核心,这不仅能使青少年获得生活和未来所需的知识与技能,更重要的是能使青少年获得科学思想、科学精神、科学态度及科学方法的熏陶和培养。

科学教育,让广大青少年树立这样一个牢固的信念:科学总是在寻求、发现和了解世界的新现象,研究和掌握新规律,它是创造性的,它又是在不懈地追求真理,需要我们不断地努力奋斗。

在新的世纪,随着高科技领域新技术的不断发展,为我们的科普教育提供了一个广阔的天地。纵观人类文明史的发展,科学技术的每一次重大突破,都会引起生产力的深刻变革和人类社会的巨大进步。随着科学技术日益渗透于经济发展和社会生活的各个领域,成为推动现代社会发展的最活跃因素,并且是现代社会进步的决定性力量。发达国家经济的增长点、现代化的战争、通讯传媒事业的日益发达,处处都体现出高科技的威力,同时也迅速地改变着人们的传统观念,使得人们对于科学知识充满了强烈渴求。

对迅猛发展的高新科学技术知识的普及,不仅可以使青少年了解当今科技发展的现状,而且可以使之从小树立崇高的理想:学好科学知识,长大为人类文明作出自己应有的贡献。

为此,我们特别编辑了这套“青少年科普知识”丛书,主要包括《战机大观》、《舰艇博览》、《导弹百科》、《火炮之库》、《战车王国》、《军事先锋》、《武器前沿》、《太空世纪》、《登月传真》、《空间站之窗》、《航空档案》、《宇航时代》、《时间奥秘》、《气象缩影》、《激光聚焦》、《通信展望》、《纳米研究》、《材料世家》、《核能前景》、《能源宝库》、《建筑奇观》、《仿生试验》、《农业新空》、《环保结锦》、《医疗革命》、《民航之窗》、《交通纵横》、《电脑新秀》、《网络世界》、《微生物密码》、《生活新探》、《人类未来》。这些内容主要精选现代前沿科技的各个项目或领域,介绍其研究过程、科学原理、发展方向和应用前景等,使青少年站在当今科技的新起点寻找未来科学技术的契入点和突破口,不断追求新兴的未来科学技术。

本套青少年科普知识读物综合了中外最新科技的研究成果,具有很强的科学性、知识性、前沿性、可读性和系统性,是青少年了解科技、增长知识、开阔视野、提高素质、激发探索和启迪智慧的良好科谱读物,也是各级图书馆珍藏的最佳版本。

激光之谜

本世纪50年代,无线电电子学飞速发展,为了探求产生更短的相干电磁波,1954年美国哥伦比亚大学的汤斯首次制成了氨分子微波激射器,由此打开了通向激光的道路。1960年世界第一台以红宝石为受激物体的激光器由美国物理学家梅曼研制成功。激光器的问世轰动了全美国,出现了光学物理的“文艺复兴”时代。激光的出现与发展,说要是靠从事电磁波谱学研究的学者们努力的结果,是相干电磁频谱向高频段发展的必然。它不仅是光学领域的伟大成就,更是电子学领域的伟大成就,激光为电子学的发展开创了一个崭新的局面。传统电子学的原理,借助光电、电光转换,用途遍及整个电子工程领域。

尽管目前激光技术还处于幼年时代,却已经为人类带来了几千种之多的各种激光发生器,有固体、气体、半导体、有机染料、化学、准分子、自由电子、巨脉冲等各种类型。目前激光器的波长从100埃至0.5毫米,最大连续功率达10万瓦,最大脉冲功率达10亿千瓦。

什么样的光是激光?简单地说,激光也是一种光。它与普通光,如太阳光、灯光一样也是一种电磁波。但是激光产生的方法与普通光不同,它是物质“受激”而产生的光。

1917年,爱因斯坦在统计平衡观点研究“黑体”辐射时,得到一条结论:“自然界有两种不同的发光方式。一种叫自发辐射,另一种中受激辐射”。各种各样的人造光源,例如电灯、日光灯等都属于自发辐射光。各种自然现象所发射出来的光,也都属于自发辐射。这些光都有一些共同之处,比如光线向四面八方射出,其中包含着各种各样的颜色。

激光是原子受激发射而辐射的一种光。激光是一种新型的光源,它和普通光源的区别在于发光的微观机制不同。普通光源的发光是以自发辐射为主,各个发光中心发出的光波无论方向、位相或者偏振态都各不相同。激光的发光则是以受激辐射为主,各个发光中心发出的光波都具有相同的频率、方向、偏振态和严格的位相关系。由于这些差别,激光具有强度高,单色性好、相干性好和方向性好等几个特点。

激光的亮度是高压氙灯亮度的37亿倍。激光领域是光频电子的范畴。激光器的出现,提供了光频波段的电磁振荡源。今天无线电子学概念、理论和技术原则上都可以延伸到光频波段。电子学进入了一个新的天地。电子学和光学之间鸿沟已经不复存在。光学本来是一门古老的物理学,而今由于激光的发现和应用,崛起了前途无量的光电子学。

激光在过去书中按英文译音为“莱塞”,意思是“光受激发射器”,1964年以后统称为“激光”。在一些介绍激光的书刊中还常提及一个技术名词叫做“简并度”,这是区别激光与普通光的一个技术指标。激光的简并度高达1017,而一般普通光线的简并度仅为千分之一。从电子技术角度看简并度低的光只是一片噪音,从光学角度看高简并度的光是具有高亮度的单色光。

激光从物理学上去看是电磁场,是整个电磁辐射的一个组成部分。爱因斯坦基于对电磁现象的研究,提出任何物体相互作用的传播速度都不能超过真空中的光速,每秒30万公里。

激光既然是“有质量”的电磁波,因此它与普通电磁波一样能够成为“载波”用以传播信息。但是激光在空中传播会受到许多因素的干扰,如它遇到云层、雾粒会造成严重信号衰落,遇到空气中的气流,会产生抖动、扩散等情况。因此如何避免干扰,保证传送质量是激光应用的一大关键。

1870年,美国物理学家丁达尔,在一次做流体实验时发现了一个有趣的现象,并从中受到了启发。他在一个盛满水的桶侧钻了一个小孔,水照例从小孔中喷射出来,这一现象原本不足为奇,但细心的丁达尔发现,水桶上方的灯光也随着小孔流出的水柱落在地面,竟然会出现一个光点。光应该是沿直线传播的,为什么会沿水柱的弧线传过来呢?经分析,这是因为水的光折射率比空气的光折射率大,光射到水和空气界面的时候,发生了全反射的原故。根据光的全反射原理,人们终于找到了理想的激光传输媒质——光导纤维。

1966年,有人曾预言“如果把玻璃中的铁离子控制在百万分之一以下,玻璃对光的损失可望达到一千米20dB”。这句话后半句的意思是,光可以每前进一千米,功率只下降百分之一。1970年美国克林玻璃公司发现了这一预言,他们完成了光导纤维技术上的重大突破,取得了光前进一米,功率损失降到一百亿分之一的光辉成就。

光纤维有完全不受电磁场干扰的特性,比如打雷的时候,不会出现干扰。石英做成的光纤维具有极高的绝缘性能,根本不用担心被雷电击穿。这对要求绝对可靠的全天候精密电子控制是非常有意义的。

制造光导纤维的材料石英,是从石英砂矿中提炼而来,这种资源对于由二氧化硅成份组成的地球来说,真可谓唾手可得、而且是取之不尽,用之不竭。

1904年,英国科学家瑞利在研究稀有气体氩的时候,看到一片神秘而迷人的深蓝色光,这一发现被瑞利称为瑞利散射。研究表明光凭借着比波长还微小的粒子散射于四面八方。瑞利散射与光波长有关,波长越短散射就越强大,当波长减少到一半时,瑞利散射的强度便会增强至16倍,而波长越长的光,瑞利散射强度则越弱。瑞利散射现象对于光的传播有十分重要的意义。

1961年4月12日,首次完成人类太空飞行壮举的前苏联太空飞行员加加林,当他从人造卫星“伏司托克”号的窗口探望地球时,看到的是一片深蓝色无比瑰丽的图景,他为之激动不已。解释这一现象的即是瑞利的散射现象,地球之所以呈现如此迷人的青蓝色,是地球外围大气中的氧与氩使太阳光中波长短的蓝紫光发现强烈散射的缘故。

人们都知道玻璃、水晶具有非常好的透光性,其实不然,在一般情况下,玻璃的主要成份是二氧化硅(SiO2)。我们常见的平板玻璃,玻璃瓶罐是含有氧化钠、氧化钙的钠玻璃,而透明度高的水晶玻璃仍掺杂有氧化铅物质,只有高纯度的石英才是理想的光学材料。但无论多么高纯的石英玻璃,在制造过程中仍然含有微量的金属和水。这些杂质会对光线有吸收,也就是说即使用这些高级的光学材料也会产生瑞利散射而对光的能量造成一定量的损失。

我们在商场很容易看到一种工艺品,是用一种透明的细丝材料做成的花束,这种花束的根部装有灯泡,在细丝纤维的尖端会发出金光,然而纤维的侧面一点光也没有泄漏。这个原理同样用于医疗上,可用以对胃肠等器官的疾病观察的胃镜等。

这种应用于传导光线的特殊纤维就是光导纤维,光纤维很细,其直径仅为3~10微米,越细越柔软。光在光纤维内的传播是以全反射的形式进行的,光纤维内传播的光波有别于自由空间的波,打个比方,光在光纤维中如蛇行一般。光在光纤维内传播的速度随光的波长而不同,当光的波长越大,频率越低时光就越难以通畅。因此在光电子学中也把光纤维看作一种阻止高频率光波通过的滤波器。

光纤维怎样才能把光传得远,又同时保证传送应有频带这是光纤维技术研究的主题。

光纤最早应用于微波无线和信号中心之间的相互连结。在本世纪70年代后期,卫星地面站就采用了光纤电缆替代同轴电缆。然而作为远程的光纤互连应用则于武器装备和军事通信中首开先河。

在军事通信系统中天线向外发射电波,这是最容易被敌方察觉的,一旦发觉随之而来的便是惨遭摧毁。为了有效地保护信号中心各种计算机等昂贵的高级通信设施,目前所采取的有效对策是将天线与信号中心分离开相距1~3公里,以保障信号中心的安全。按传统的办法采用同轴电缆完成远程互连有许多问题很难解决,且不说要耗费大量同轴电缆与同轴电线配套的放大器,还会导致信号噪声,给可靠性带来不良因素。在运输上由于同轴电线重量较重也很不便,特别是同轴电缆易遭雷电破坏。用光纤代替同轴电缆,可以直接在较高的频率范围内工作,同时损耗极低,因此完全不需要线路放大器,从而解决了传输噪声,提高了可靠性。光纤具有的高绝缘特性使天线不怕雷电袭击。

在军用通信中,首先应用光纤网路远程装置,是在1980年由美国空军建立的AN/GRC206无线电系统。此后许多雷达系统也采用了远程光纤的互连。如新型对空“小猪犬”导弹系统就是采用光纤来互连的。

激光的每一个特点都可以引带出一些应用,正是这些应用才使激光被列为新技术革命的主要特征之一。激光技术是当今一项极富有魅力的新技术。

形形色色的激光器

能产生激光的系统,我们称之为激光器。由于科学技术的发展,激光器的设计和制造也日趋完善,名目繁多的各种型号的激光器,像雨后春笋般地不断涌现。坚固耐用的固体激光器

固体激光器的工作物质是在基质材料的晶体或玻璃中均匀地掺入少量的激活离子(指能级结构具备光放大条件的离子)。真正发光的是激活离子,如红宝石三能级系统中的铬离子、钕玻璃四能级系统中的钕离子等,因此,又称为固体离子激光器。激活离子按元素周期表中所分有三类:过渡性金属元素——铬、锰、钴、镍、钒等;大多数稀土元素——钕、镝、钬、镨等;个别放射性元素如铀等。每种激活离子都具有与之相适应的一种或几种基质材料。晶体已有上百种,玻璃几十种,但真正实用的基质材料不过是红宝石和钇铝石榴晶体以及硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、硼硅和氟化物玻璃等几种。

固体材料的活性离子密度介于气体和半导体之间。固体材料的亚稳态寿命比较长,自发辐射的光能损失小,贮能能力强,故适于采用所谓的调Q技术产生高功率脉冲激光。另外,固体材料的荧光线较宽,经“锁模”后可以获得超短脉冲的超强激光辐射。固体激光器中,红宝石是三能级系统,其余大都是四能级系统。

固体激光器通常用泵灯进行光激励,所以寿命和效率受到泵灯的限制。尽管如此,固体器件小而坚固,脉冲辐射功率很高,所以应用范围较广泛。小巧玲珑的半导体激光器

固态物质中,允许大量电子自由自在地在它里面流动的叫导体;只允许极少数电子通过的叫绝缘体;导电性低于导体又高于绝缘体的叫半导体。激光工作物质采用半导体的激光器叫半导体激光器。尽管半导体本身也是一种固体,而且发光机理就本质上讲与固体激光器没有多大差别。但由于半导体物质结构不同,产生激光的受激辐射跃迁的高能级和低能级分别是“导带”和“价带”,辐射是电子与“空穴”复合的结果,具有其特殊性,所以没有将它列入固体激光器。

半导体激光工作物质有几十种,较为成熟的是砷化镓(GaAs)、掺铝砷化镓等。激励方式有光泵浦、电子轰击、电注入式等。

半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单,因此,特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。有些半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长,即所谓的调谐,可以很方便地对输出光束进行调制;半导体激光器的波长范围为0.32~34微米,较宽广。它能将电能直接转换为激光能,效率已达10%以上。所有这些都使它受到重视,所以发展迅速,目前已广泛应用于激光通信、测距、雷达、模拟、警戒、引燃引爆和自动控制等方面。

半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大,比如砷化镓激光,当温度从绝对温度77°K变到室温时,激光波长从0.84变到0.91微米。另外,效率虽高,但因体积小,总功率并不高,室温下连续输出不过几十毫瓦,脉冲输出只有几瓦到几十瓦。光束的发散角,一般在几度到20度之间,所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。结构简单的气体激光器

以气体为工作物质的激光器称为气体激光器。它是目前品种最多、应用很广泛的一类激光器。单色性和相干性都比较好,能长时间较稳定地工作,大都能连续工作。激光波长已达数千种,广泛地分布在紫外到远红外波段范围内。一般说来,气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。由于上述优点,在民用和科学研究中,比如工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用很广。但多数工作气体的气压较低,单位体积中的粒子数大约只有固体中激活离子数的千分之几,所以瞬时功率不高。不过少数象二氧化碳(C0)气体激光器:不论脉冲辐2射功率还是连续辐射功率都达到了相当高的水平。

气体激光工作物质有原子、离子和分子气体三大类。原子气体都是中性的,激活成分分惰性气体(氦、氖、氩、氪、氙)和金属蒸气(铯、铅、锌、锰、铜)等。惰性气体原子的激光波长大都分布在红外、远红外区,少数在可见光范围。氦氖气体是其典型代表。

原子丢掉最外层的电子后就成了离子,丢掉几个电子就叫几价离子。气态离子的激光工作物质大致也分两类:氩、氪、氙等惰性气体离子激光器;镉、硒、锌、铜等金属蒸气离子激光器。离子气体激光功率虽比原子气体高一些,但激光波长大多数在紫外和可见光部分,所以使用有一定的范围。

中性气体的激活成分有三类:一氧化碳、氮气、氢气、氧气等双原子分子;二氧化碳、氧化二氮、水蒸气等三原子分子以及少数多原子分子。分子气体激光器的特点是:波长范围最广,从紫外到远红外都有激光产生,输出功率大,转换效率高。其中二氧化碳(CO2)激光波长为10.6微米,正好落在大气窗口,能在大气中传得很远,又处于不可见的中红外区,功率大、效率高,所以,在军事上应用很广。

在气体激光介质中,除激活成分外,一般还掺入适量辅助气体,以提高激光输出功率,改善激光性能和延长激光器寿命等。

气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。电能激励中又有直流电、交流电、射频放电等方式之分。功率巨大的化学激光器

通过化学反应实现粒子数反转的激光器叫化学激光器。尽管它的工作物质多用气体(也有用液体的),结构大多和气体激光器相似,但在化学反应的引发、粒子数反转过程等方面有其特殊性,尤其必须通过化学反应实现激光器的运转,所以,并不把它并入气体激光器而单独介绍。

化学物质本身蕴藏有巨大的化学能,比如每公斤氟、氢燃料反应生成氟化氢(HF)时,能放出约1.3×107焦耳的能量。由于它能在单位体积内集中有大量的能量,当化学能直接转换为受激辐射时,就可以获得高能激光。另外,它的装置体积不大,重量又轻,很受军方青睐。1978年美国海军的舰载激光武器打靶试验,就是采用40万瓦连续波氟化氘(DF)化学激光器。我国自行设计研制的1太瓦(等于1兆兆瓦)大型高功率激光器——神光装置也是一台化学激光器。美国曾研制过一种台式化学高功率激光系统,瞬间功率达10太瓦(等于10兆兆瓦),相当于美国全部发电站总输出功率的20倍!

由于化学激发能源来自化学反应,因而基本上无需外部提供能量,对外依赖性很小,这对野外和军事应用实在是求之不得的。前面所讨论过的激光器都必须外激发能源,尤其是电能,其电源往往就占去了激光器的绝大部分体积和重量。一台功率10万瓦的激光器,若总体效率为千分之一,就必须有一台10万千瓦以上的发电机专门为它供电。当然,化学激光器还多少用一点外能源引发化学反应,但需要量很小,比起其他激光器的激发能源来,简直是微不足道。

化学激光工作物质多数有毒,甚至玻璃一类的物质也容易被腐蚀。又由于在化学反应中,粒子数能级分布较分散,所以激光单色性较差。化学激光工作物质气压目前仍比较低,反应能的利用率还不太高,这些都有待于改进。波长极短的准分子激光器“准分子”不同于一般的稳定分子,它并不是真正的分子,在自然界的正常状态中也不存在。准分子是人工制造的一种仅能在激发态以分子形式存在(激发态寿命10-8秒),而在基态(基态寿命10-3秒)则离解成原子的不稳定复合物,也就是说,它在激发态复合成分子,在基态又离解为原子。如惰性气体原子,最外层轨道(壳层)被电子填满,因此它的原子价为零,一般不与任何原子结合成分子。但当它们一旦受到某种外界激励处于激发态时,就可以与其他原子结合成一个不稳定分子,习惯上称作“受激准分子”。当受激准分子从激发态受激跃迁回基态时(准分子离解为原来的原子状态),通过受激辐射和谐振放大作用就会有激光输出。这种激光器就叫做“准分子激光器”。

准分子激光器是70年代以来新崛起的一种高能脉冲器件,脉冲宽为微微秒(10-12)秒级,脉冲峰值功率超过千兆(109)瓦,脉冲能量大于100焦耳,脉冲重复频率每秒几百次,效率超过10%。虽然脉冲峰值功率比起化学脉冲激光器的1012瓦尚差三个数量级,但从发展来看前途很大。尤其是准分子激光器件的波长大多分布在紫外区,波长又可调,可望在受控核聚变、同位素分离、等离子体诊断、有机物的冷光滑机械加工、星际通信、光武器等方面一展身手。与众不同的自由电子激光器

自由电子的受激辐射原理,虽然1951年曾有人提出,但直到1977年美国斯坦福大学用2.4千高斯的超导磁场、43兆电子伏特能量的电子束,才在波长3.4微米处,获得了0.36瓦的激光平均功率和7千瓦的峰值功率。所谓“自由电子激光器”,是指一种高功率连续可调谐的新颖激光器件,需要用加速器等复杂设备。这种激光器从理论到实验目前尚不成熟。

自由电子激光器的工作机制与众不同,它是从加速器中获得几千万电子伏特的高能调整电子束,这些调整电子经过周期性磁场,形成不同能态的能级,然后在它们之间实现粒子数反转并产生受激辐射。

自由电子不受原子核的束缚,这样,自由电子的运动就比较自由,它的能级结构与束缚电子的固定能级结构相比,自由而不受限制。因此,激光辐射波长或频率随电子能级的变化(主要由电子能量大小决定)就可以调谐。目前,调谐是通过改变电子束能量大小和磁场强弱的办法。调谐范围可以从微波到红外,甚至X射线波段。

正是由于自由电子不受原子核束缚和不受固定电子轨道的限制等,激光功率和效率可以不断提高,这种器件既能振荡又能放大,脉冲或连续运转均可。另外,自由电子的能量不易“衰老”,若采用储存环结构的加速器,电子束还可以重复使用,使效率进一步提高。

激光的四大特点

激光也是光,它与普通光没有本质上的区别。但激光又是一种特殊的光,与普通光相比具有方向性好、单色性好、高亮度和优异的相干性四个特点。激光的各种应用正是基于上述特点,在这些方面目前还找不到第二种光源可与激光媲美。(一)指点江山千里外——方向性好

方向性即光束的指向性,常以a角大小来评价,a角越越小光束发散越小,方向性越好。若a角趋于零,就可近似地把它称作“平行光”。灯光、阳光等普通光是射向四面八方的,根本谈不上方向性。虽然人们可以置光源于透镜或凹面反射镜的焦点上,获得近似“平行光”,但因光源总有一定大小,镜面不可能做到绝对准确,加之镜子孔径衍射引起的发散,就是普通光中方向性最好的探照灯的光束也总有0.01弧度的发散角(1弧度=103毫弧度=57.296度),这是普通光目前利用光学系统后方向性达到的最高水平。

由于谐振腔对光振荡方向的限制,激光只有沿腔轴方向受激辐射才能振荡放大,所以激光射束具有很高的方向性。当然,由于谐振腔反射镜对光存在衍射极限,如不采取一定措施,想使发散角为零是相当困难的。尽管如此,激光的发散角一般在毫弧度数量级,比探照灯光的发散角小10倍以上,比微波小约100倍。激光束借助光学发射系统,a角可小到几乎是零,接近于平行光束。

光束的发散角小,对于实际应用具有重要的意义:首先可以减小光学发射系统中光学透镜或反射镜等元件的孔径尺寸;更重要的是光束发散越小,在某一方向上光能量越集中,因此可以射得很远。如借助光导发射系统的红宝石激光系统,在几千公里外接收到的光斑张角只有一个茶杯口大小,就是照到月球上,光斑也不过2公里大小。因此,利用激光才首次实现了地球到月球的精确测距。而普通光方向性最好的探照灯,假定光强度足够大(实际达不到),照到月球上的光斑直径至少也有几万公里,可以覆盖整个月球。由于激光的方向性好,强度又高,因此可以瞄得准,射得远。利用这个特性制成激光测距机和激光雷达,它们测量目标的距离、方位和速度比普通微波雷达要精确得多。如用激光对月球测距,38.4万公里误差才1米(最好的纪录为10厘米),非常精确。激光雷达能自动精密跟踪飞机、导弹、卫星等高速飞行体,还可用来测量云层的分布和侦察大气污染情况。用激光进行短距离地面通信,保密性特别强,不易被敌方获截和干扰。此外,利用激光的高方向性可以制成激光制导武器,使命中率大为提高。在兴修水利、修建铁路和公路中,需要挖掘长距离隧道时,可以用激光来“导向”,沿着激光照射的方向进行施工,隧道便打得又准又直。(二)红橙黄绿青蓝紫——单色性好

从电磁波谱中,我们可以看到,对应一种颜色就有一种波长。“雨后复斜阳,彩虹架长空”,这是我们常见的自然现象,因为太阳光包含着所有可见光的波长,也就是包含着世界上所有的各种颜色,结果却成了白色。所以,“白”光是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫各种颜色光的混合。一种光所包含的波长范围越小,它的颜色就越纯,看起来就越鲜艳,通常我们把这种现象称之为单色性高。一般把波长范围小于几埃(1埃=1亿分之一厘米)的一段辐射称为单色光,发射单色光的光源称为单色光源。和激光束的发散角是衡量光束方向性好坏的标志一样,谱线宽度则是衡量单色性优劣的标准。

人们在长期生产和科学实验中,已经创造出很多单色光源,如各种霓虹灯、水银灯、钠光灯等。以往最好的单色光源是同位素氪灯86,它在低温下发出的光波长范围只有约0.005埃,室温下的谱线宽度为0.0095埃,因此它的颜色很鲜艳。激光的出现,在光的单色性上引起了一次大的飞跃。如单色性好的氦氖激光,它的波长范围比千万分之一埃还要小,最小的已经达到一千亿分之几埃,它的单色性比普通光真不知要好多少亿倍。因此,激光是颜色最纯、色彩最鲜的光。

激光这种高单色性有什么意义呢?大家知道,在日常生活和工作中,测量长度是十分重要的。如果测量的精密度要求很高,靠米尺、游标卡尺、千分尺等都不行,那人们就得用光波的波长作单位来测量长度。因为光波波长很短,精密测量就很准确。这种“光尺”能够准确地测量最大长度取决于光的单色性。单色性越好,准确测量的最大长度就越大。过去用最好的单色光源氪灯进行测量,只能测得38.5厘米的最大长度,而现在用氦氖激光器可以测得几十公里长,误差却很小很小。在激光单色性基础上发展起来的“拍频技术”,可以用来极精密地测定各种移动、转动和振动速度,每秒移动几个微米或每秒转动十分之一度的速度都可以测出来。同无线电技术相类似,在光通信中采用光外差探测时,其波长或频率范围越小,就越可以提高接收机的信噪比(信号和噪音的比值,越大越好)和灵敏度。单色性对在背景光干扰下进行特征识别也非常有利。此外,人们正在用红、绿、蓝三种激光作为基色来合成各种十分鲜艳、逼真的色彩,应用于彩色电视技术中制作激光大屏幕投影电视。(三)100亿倍于太阳光——亮度高

简单讲亮度,是指光源在单位面积上的发光强度。它是评价光源明亮程度的重要指标。

为了生产实践的需要,光学上规定:光源在单位面积上,向某一方向的单位立体角内发射的光功率称为光源在这个方向上的亮度。在一般照明工程中,亮度单位是“熙提”。简单地讲,1熙提就是在1厘米2的单位面积上发光强度为1烛光。几种光源的亮度见表。

大家知道,电灯要比蜡烛亮得多,炭弧灯又比电灯更亮,而超高压水银灯比炭弧灯又要亮出十几倍。那么,世界上最亮的光源是什么呢?人造小太阳(长弧氙灯)的出现,它的亮度已经赶上了太阳。而高压脉冲氙灯更比太阳亮上10倍。但在激光面前,无论是太阳、人造小太阳,还是高压脉冲氙灯,他们的亮度都算不了什么。一支功率仅为1毫瓦的氦氖激光器的亮度,比太阳约高100倍;一台巨型脉冲的固体激光器的亮度可以比太阳表面亮度高1010倍,即100亿倍。这年光源亮度上是一次何等惊人的大飞跃啊!我们可以毫不夸张地说,激光是现代最亮的光源,它的亮度是过去的一切都望尘莫及。迄今为止,唯有氢弹爆炸瞬间的强烈闪光,才能与它相比拟。在这里我们应该值得注意的是,绝不能把激光的亮度误解为激光器所能给出的光能量,比相同时间内太阳光给出的还多。实际上这是由于激光把脉冲宽度压的很窄、光束的发散角又很小的缘故。几种光源的亮度表-2-2222

注-1即即即其他类推:10即100,10即1000,……,10即1后有15个零。-2-3

2.1 毫微秒=10:1毫弧度=10-弧度。

激光的这种高亮度特性有什么意义呢?我们可能都作过这种实验:如果在烈日下用透镜聚焦,很容易把火柴点燃,或把纸片烧一个洞,就是说光亮能够变成热能。我们只要会聚中等亮度的激光束,就可以在焦点附近产生几千度到几万度的高温,它能使某些难熔的金属和非金属材料迅速熔化以至气化。因此,目前工业上已成功地利用激光进行精密打孔、焊接和切割。比如,现在已广泛采用激光束加工钟表轴承用的红宝石、尼龙喷丝头、金属拉丝模等,能在上面打出头发丝那么细的小孔。用激光束裁剪衣服则更是方便,功率为100瓦左右的二氧化碳激光器,在厚厚的一叠衣料上面,按照预定的程序走一圈就把上百件衣服一次裁好了。(四)黑白相间条纹清——相干性好

激光是一种相干光,这是激光这一崭新光源与普通光源最重要的区别。那么,什么是光的相干性呢?我们不妨用水波来进行解释:当你同时向平静的湖水中投入两块石头后,它们就各自组成了一组水波。两组水波各自进行独立的传播,但又互相影响,相互干扰,这叫“波的干涉现象”。如果我们再仔细观察这两组水波相互干涉时,就会进一步发现,要是两组波峰与波峰相遇,则波浪起伏得更高;同样,如波谷与波谷相遇,则波浪凹处会变得更深。要是一组水波的波峰与另一组水波的波谷相遇,那么波浪就将互相抵消。这种现象就称为“波的叠加现象”。波的叠加原理是:每一个波在其所到达的区域内,都独立地激发起振动,与是否同时存在其他波无关;而当两列波产生干涉,同时作用于某一点上时,则该点的振动等于每列波单独作用时所引起的振动的代数和。我们把能够产生干涉现象的两列波称为“干涉波”。发出相干波的波源称为“相干波源”。

光是一种电磁波,同其他波一样,光也存在着干涉现象,也适用叠加原理。在两列光波互相加强的位置,看起来应该比一列光波更明亮;而在两列光波互相削弱的位置,看起来就会比只有一列光波时还暗;当两列光波所引起的振动恰能互相抵消时,这些位置看起来应该是全黑的。这种明暗相间的条纹的出现,就是“光的干涉现象”。

是不是随便两束光相遇都能产生光的干涉现象呢?不是的。只有两列光波的频率完全相同,它们的振动方向也相同,而且它们振动的步调之间始终保持着一种确定的关系(光学上称为“相位差恒定”)时,才能产生干涉。普通光源不同两点发出的光,即使频率相同(例如,同是30W的日光灯),方向相同,但在“相位”上不能保持确定的关系,所以仍然不能相干。激光的相干性是同激光的单色性、方向性密切相关的。单色性、方向性愈好的光,它的相干性必定愈好。

我们可以利用激光的这种相干性,将其能量会聚在空间极小的区域内,所以激光能聚得很小产生极大的能量,从而用来引发热核聚变。如果把核燃料做成比小芝麻粒还要小的固体微型小球,然后用激光作为点火器去照射它,就可以使微型小球加热到上亿度的高温,它所产生的能量密度高达每立方厘米1千万亿焦耳。这样高的能量密度,相当于几十吨炸药集中在1立方米的体积内爆炸所产生的能量密度,即达到了原子弹爆炸时所得到的超高能量密度的数量级。

全息照相是成功地应用激光相干性的一个例子。激光经过分束装置分为两束,一束光直接射到底片上,称为“参考光束”;另一束光经过被拍照物体反射后再射到底片上,称为“物光束”。两束光在底片上形成干涉条纹,这样感光的底片就是全息照片。全息照片不但形象逼真,立体感极强,特别奇妙的是,在看全息照片时,观看者改变不同的观察角度,便会看到照片中不同位置的景物。更奇妙的是,一张全息照片即使大部分已经损坏,只剩下一个角落,依然可以重现全部景物。

不过需要指出,上述四个特点是笼统地就激光在其整体上与普通光相比较而言的。其实,在实际应用中无需对四个特性都提出很高的要求。例如:全息照相的主要要求是单色性和相干性好;激光通信主要要求是方向性、单色性和相干性好;激光测距主要要求是方向性好和高亮度;激光武器主要要求则是高亮度和方向性好等等。应用目的不同,就应选用或研制不同特点的激光器。

激光虽有许多独特而优异的性能,但它并不能完全取代所有的普通光,如大面积照明激光就不适用。

激光唱机与激光唱片

激光唱机与激光唱片是当代激光应用技术最为成功的杰作。激光唱机和激光唱片简称“CD唱机”或“CD唱片”。CD为英文compact disc——Digital audio的缩写,意为小型数码音频唱片。与传统唱机相比,激光唱机具有许多无法比拟的优越性:能提供优良的高保真度、高纯度音质;立体声左右声道分离度达85分贝,频率响应在5~20000周(赫兹)之间,谐波失真为0.004%,不存在抖晃率问题,唱片寿命极长,几乎永不磨损,动态范围超过90分贝,已接近大型交响乐队的动态范围。可以使记录在唱片上最细微柔弱的声音忠实、清晰地再现出来:强劲的低音使人感到裤腿摆动,听提琴声时松香味十足,高潮来临势如排山倒海,沉寂时连歌星启唇时的纹理也尽再现……这一切都令音乐迷们高“烧”不退,如醉如痴。

在简述激光唱机的工作原理时,不妨与传统的唱机作一比较。普通唱机的唱片表面刻有一条连续不断的音轨“纹槽”,这条连续不断的“纹槽”里记录着各种模拟音响信号。当拾音器唱针直接接触音轨纹槽时,随着纹槽的摆动幅度和深度的不断变化,拾音器即从音轨上拾取唱片的模拟信号。唱片由唱机(弹簧发条或电机)带动,按顺时针方向、等角速度旋转,唱针顺着纹槽,由唱片的外圆向内圆移动,并连续不断地读取上面的信号,这些信号经过电路处理和放大后,由扬声器放出唱片的声音。普通唱片一般由塑料制成,由于唱针与唱片是直接接触,因此唱针容易因摩擦和磨损而产生放音失真。

激光唱机工作原理与普通唱机截然不同。它灌录在唱片上的信号是数字信号,是一连续不断的“坑点”轨迹、即“0”和“1”数字符号。这些“坑点”的深度一般为0.1微米(1微米=1/1000毫米),轨迹之间的距离为1.6微米,每毫米有625条,一张CD唱片轨迹数约为2万条,全长可达5公里。

激光唱片上的“小坑”是下凹的。光拾音器上的扫描激光束是来自唱片下部,因此“坑点”对激光束来讲却是凸出的。当激光拾音器发出的激光束扫描聚焦于唱片镀铝的“坑点”上时,便被漫反射,这时光拾音器检出的信号为“0”;激光束照射在无“坑点”处时,光线反射回光路而被检拾出,这时信号为“1”。随着唱片的转动,长短“坑点”不断地扫过激光束,反射光的密度、强弱也将相应地变化,形成连续信号流,经光电转换、电流电压转换、放大、整形后,即获得了唱片上所记录的数字声音信号。

数字声音信号中包含调制、同步、纠错等信息,故必须经解码、数字滤波和D/A(数字/模拟)变换才能获得模拟声音信号。

激光唱片实际上是光盘的一种,是信息存贮的载体或称之为“媒介”。光盘的基板采用玻璃或塑料,制作的关键是要在基板上形成一层记录薄膜,并刻上记录槽,整个盘面大部分区域是数据道,用于贮存信息或数据,在该区域内刻有一条螺距为1.65微米(头发丝直径约为70微米)宽1微米的螺旋形沟槽,沟槽由数不清的凹坑点组成的。各沟槽又被分为32个扇段,便于各种信息的贮存。而这只有头发丝的1/70那么细的沟槽是怎么做出来的呢?这当然还离不开激光这个神奇之光。具体方法是:先在基板上涂上一层极薄的保护胶层,把激光束聚焦成直径为1微米以下的细光对胶层曝光。为了保证螺旋形沟槽之间的间隔处处相等,还必须给激光配上一个自动聚焦系统和一个自动跟踪系统,因为在曝光时基板是匀速旋转的。曝光后再作显影和烘干处理,然后在基板上涂一层薄导电层和镍膜,这时在镍膜上已形成沟槽。将镍从玻璃基板上分离下来,再重新复制到具有记录膜的基板上去,便得到了一块完整的附有预刻槽的光盘。

光盘的基板不是随便拿一块玻璃或塑料就行的,它必须经过精密抛光,要求透光率在90%以上,而且刚性要好,能经得起高速旋转,对记录膜亲和性要好,热传导率低等。同时对记录膜材料的要求也高,希望它再现性好,灵敏度高,而且记录信息后保存寿命应在10年以上。光盘在加工过程中对环境要求也很苛刻,以至人眼难以分辨的尘埃,也会对它造成误差以至失真。此外,严格的测试和封盘都是必不可少的。

激光电影的奥秘

继立体电影和全景电影之后,目前电影业最热门的要算是激光电影了,由于激光电影内容新鲜刺激,票价也可令人接受,所以上映激光电影的影剧院场场爆满,人们争先恐后,都想先睹为快,看一看激光电影到底是怎么回事,它与普通电影又有什么区别。

大家知道,普通电影是由胶片(俗称“拷贝”)来存贮图像的,通过放映机在宽大的银幕上再现图像。而激光电影的图像是存贮在一张小小的光盘上,就像激光唱机的唱片一样,只是直径大了一些,约为30厘米。放映用类似激光唱机的激光影像机(俗称“影碟机”)进行图像的再现。与激光唱机相比,整个系统复杂了一些。

放映的方法有两种,一种是激光电影影剧院采用的,由影碟机配一套与投影电视相同的3只阴极射线管,分别将红、绿、蓝三基色射向荧光屏,再通过适当的光学系统投向银幕,以获得色彩逼真的画面,剧场前后4只喇叭使观众享受到高保真的音响效果;另外一种则是由影碟机直接驳接家用彩色电视机,适用于普通家庭。就像用录像机放映录像带一样,激光电影在放映过程中,可使画面停止、前进或后退,而且进退速度可以调节,不必担心像录像带那样可能会受到损害。更令人惊奇的是它还可以分别用不同语言播放,这是因为在光盘的声道上已事先刻录好了这些语言的信息,在放映时可以任意选择,这就大大方便了节目的国际交流。

光盘不但体积比起电影胶片拷贝要小得多,而且价格也低得多。例如,一般放映4个小时的电影拷贝,一个人几乎无法搬动,堆起来有1米来高,制作费高达2万余元。而放映同样时间的激光电影只需一个光盘(两个面),非常轻巧,成本只有500元左右。

不过,像许多新事物一样,激光电影也有不尽人意的地方。尽管放映激光电影的银幕采用了可增加亮度的一种特殊的“微珠银幕”(即在布上镶嵌了许多小玻璃珠子),但其亮度仍不如普通电影。另外尺寸也不够大,普通电影的银幕面积大的已达10×20(米2),而微珠银幕还只有3×4(米2)左右。所以,激光电影的放映只能在小厅进行,观看人员一般为几十人至上百人,特别适合于小型会议、电化教学以及亲友聚会等场合。大屏幕平面直角彩色电视机的出现,与激光影碟机配合起来真是珠连壁合,相得益彰,为现代化的家庭锦上添花。所以说,尽管激光电影的效果还比不上普通电影,但其优点还是主要的。

令人咋舌的激光表演

从80年代初期开始,激光娱乐显示技术获得了较快的发展和应用,已进入许多表演场合,这一飞跃的主要因素是与新显示技术的发展、计算机硬件的相互作用以及广告、演出、宣传等对其日益增长的需求分不开的。

1979年,我国国庆30周年焰火晚会上,首次采用了激光进行天幕投射,那闪烁的光束、梦幻般的图案、绚丽的色彩为节日增添了热烈的气氛,给许多人留下了难忘的印象。

美国洛杉矶激光介质公司是激光娱乐领域中最有实力的一家,它主要是为摇滚音乐会伴映。该公司每年都要举行上千次的各类露天表演的激光音乐会,可见其受欢迎的程度。在美国节日期间,公司常用两支15W的氩、氪激光器,把动画片从舞台射到两个大型显示屏幕上,这种激光器配有专用电子计算机来安排画面和适当调节各波长的功率比例,计算机内的程序可在存贮器中贮存约1000帧画面。该公司已研制三种系列装备计算机的激光绘图系统样机,以及有价值的表演产品。最小系统的售价仅1000美元左右。利用该产品提供的数字软件和硬件,用户能设计和控制自己的图像。该公司最令人惊奇的表演是在佐治亚州石头山公园。在那里,他们把动画片投射到1000英尺高的一堵巨大的石壁上。由计算机控制的10多种颜色的激光束,从十几个不同的地点射向石壁,并以极快的速度变换画面,同时配以激昂的音乐,使人怦然心动,取得了神奇的效果。

1988年9月夏季奥运会期间,韩国汉城上空用多束激光装点,接连表演7个晚上。表演的是激光动画、图片、特技等。这次表演由美国麻省图像工程公司及韩国时空公司联合举办,为这届百年不遇的盛会披上了艳丽的盛装。

美国激光公司于1989年夏天在大古力水坝上以激光表演了名为“生命与水”的节目,画面投射到整个一英里宽的水坝坝面上。该系统是受美国农垦局委托设计的,它包括输出功率为70瓦的红、绿、蓝三色激光的四套激光装置,将节目存贮以数字声带放映,系首次用于激光显示业。持续半个小时的显示包括了万余帧画面。据称为迄今激光显示业中最大的节目表演项目。

美国视听影像公司用配氩氟多色激光器的激光投影机,在纽约的一个天文馆内,举行了一场别开生面的“激光音乐会”,放映了与音乐同步的瞬息多变的激光图像。这是一种行进式的摆动光波图,使人有身临其境的真实感,引起观众的极大兴趣。而激光图像公司的激光天像仪,则利用激光在拱形天花板上表演模拟天像。

自70年代中期以来,激光又介入了电影的拍摄。1983年激光介质公司制作了两部激光电影,其中一部是给阿兹台克人信奉的主神阿兹台克上帝提供生动的形象,另一部是《科学》,其内容是描写关于爱因斯坦冒险活动的故事片,影片中用激光描绘出女机器人。此外,大家所熟悉的美国一部描写未来宇宙之战的科学幻想片《星球大战》中,也运用了激光刀、激光枪,以及立体全息图像,耗资数千万美元,在银幕上产生了惊险奇幻的艺术效果,使影片获得了极大的成功。

激光激发了艺术家的灵感

世上的一切物品都可能成为艺术家们创作的材料和工具,激光也不例外。虽然目前世界上还没有人宣称自己为激光艺术家,但与激光有关的作品却不断问世,无疑,激光已激发了艺术家们的灵感,拓宽了表达情感的领域。激光蚀刻作品

有人使用1~5瓦功率的氩离子激光器,或用10~20W的掺钕钇铝石榴石激光器(近来也有使用功率较大的二氧化碳激光器)产生的激光束,通过光导纤维的传导,在纸张、木头或者有机玻璃上进行蚀刻创作。因为其绘画机制不同于雕刻、雕塑和绘画,所以称之为蚀刻。艺术家们可根据自己的构思选用不同的激光器及输出功率,在上述材料上获得各种富有特色的亮暗对比和平凸的轮廓线,制作出笔调简洁、形象生动的作品。

用高能量氩离子激光器或者二氧化碳激光器,还能在粘土坯上蚀刻,制出饶有兴味的作品。不过这种激光蚀刻的艺术品,为了保护其表面不受破坏,一般需要在其表面涂上一层环氧树脂。激光绘画和书写

采用功率较小的二氧化碳激光器、氩离子激光器和红宝石激光器,在丙烯板上或油画布上进行烧蚀,就能“绘”出有浓淡变化的图画。

激光也为在钻石和其他宝石上镌刻字母的应用提供了一种完美的工具,美国宝石研究所在这方面获得了成功。用作识别的代码、名字和个人信息等都可以刻在宝石、戒指甚至眼镜和手表上,平均刻写尺寸为60×5微米,深度仅为4微米。为此,需用显微镜观看。恰恰是这种特性,使得宝石等物品上用肉眼看不出什么痕迹又不影响美观而受到客户的欢迎。这种镌刻最适用于保密性用途,而这在激光技术出现以前几乎是不可能的。

同理,用光学透镜来增加激光束的宽度,就可以在硬质材料上来书写文字。激光雕刻

激光雕刻是另一个重要的激光艺术领域。它与激光蚀刻有着本质的区别。激光雕刻使用聚焦脉冲红宝石激光器或者掺钕钇铝石榴石激光器,激光能量以脉冲形式输出。激光雕刻采用的材料有各种颜色的有机玻璃和宝石,也有嵌镶彩色宝石、彩色塑料等。在一定能量的激光辐射下,有机玻璃会受热分解,因此调节激光能量密度和聚焦点的大小,就能像刻刀一样,在有机玻璃上刻出奇异而迷人的造型。同样,激光还能在海泡石、绿松石、雪花石膏等硬度较低的宝石上进行雕刻。对于硬度较高的宝石(如玛瑙宝石),用激光雕刻往往会破裂,因此不太适用。

在80年代中期,捷克斯洛伐克等国开发了一种激光技术装饰实用玻璃器皿的新工艺。与传统的抛光、雕刻、丝网印刷、蚀刻、喷砂等装饰法相比,激光法具有无磨损、高分辨率、无化学反应、设计和生产灵活方便等优点。装饰的对象有陶瓷或玻璃制的花瓶、瓷杯、高脚酒杯、玻璃杯等旋转对称体。聚焦光束可在表面产生直径为100~150微米的微点。各种装饰图案可借助数字化表格或照相机、扫描器输入计算机,直接由计算机存储器控制,可在10秒种内更换待加工图案。加工时间视图案和所需的分辨率而定,一般为40秒钟左右。为达到着色效果,可用丝网印刷包、黄金、白金、彩虹色等涂料。

1989年,美国的“CGI瓷釉公司”发明的一种激光施釉机,可在2分钟内将彩色或黑白照片复制在任何瓷上,且复制效果精细。

英国控制激光仪器公司已研制出一种能广泛用于各种材料的计算机数控激光雕刻装置,它能进行高速雕刻,速度可达20毫米/秒,这种对工件非接触、无需加压的新装置是由50W掺钕钇铝石榴石激光器、微处理机和旋转工作台等组成,可刻出各种由计算机认定的文字、图案或标记,可在铝、钢、钛、陶瓷以及各种硬、软塑料上进行各种规格的装饰性雕刻。

大千世界尽现眼前

激光全息照相是利用激光的相干特性最为成功的一例。早在1947年,匈牙利人丹尼斯·盖波博士,为了寻求提高显微镜分辨率的新途径,在研究光波的干涉性时,就提出了共轴全息原理。但限于当时所能使用的光源相干程度都不理想,所以发展极为缓慢。激光出现后,在全息照相领域兴起了复苏后的热潮。1962年,美国密执安大学的埃梅蒂·利斯与朱里斯·尤佩尼克斯,利用激光制成了世界上第一幅全息图。而丹尼斯·盖波博士由于他在全息方面的突串贡献,于全息理论提出24年后的1971年,荣获诺贝尔奖金。近年来,由于全息理论的发展,各种拍摄复制全息图像的技术和器件不断出现,使得从事全息摄影和提供制作服务的公司应运而生,全息技术的应用范围也不断扩大,成为光学领域的一支新军。

全息技术的优势在于三维表现,是集高科技、视觉艺术、实用价值为一身的人类信息社会出现的又一新型载体。全息图由于形式新颖、色彩艳丽、立体感强、信息量大,具有极大的商业价值而被广告业首先选中。所以其发展最早的便是立体的广告和说明书了。爱不释手的杂志封面

1992年8月,我国出刊的第4期《应用激光》杂志封面,粘贴了一张6×6厘米的真彩模压全息图,内容是插入花瓶的一束鲜花,在普通白炽灯光线的照射下,再现的图像清晰明亮,色调纯正,使读者争相观看,爱不释手。

自从日本1981年首次在《计测与控制》杂志上采用了全息图以来,英国1983年第7期《摄影爱好者杂志》和美国1984年第3期《国家地理杂志》也步其后尘,采用全息图作为杂志封面,使得其发行量大增。现在世界上已有数以百计的年报、杂志封面、插图采用模压全息技术。1986年10月,伦敦一家公司首次出版一本印有全息封面与全息插图(共7帧)的童话《镜石》;1988年另一家公司推出含有13幅全息图的年历。由于构思巧妙,印刷精美,全息图与彩色绘画的结合,给人一种新颖的美的享受。

计算机全息图的引入,使得一些人为想像中的造型能用三维图像表现,并大量印刷复制。第一张模压计算机全息图是1988年7月《计算机图像和应用杂志》的封面。它在皮爱尔(PEXAR)公司用计算机作图方法,制作出影片《锡玩具》的基础上,首先实现计算机图像的合成全息,并由钞票公司制成模压烫印全息图,使读者大开眼界。可供食用的全息图

美国一家食品制造商在传统海滨棒棒糖上又前进了一步:在甜食上印上全息图。这种三维图像不会降低发热量,旨在不使用任何添加剂来些点缀。麻省立体食品公司早已开始对食品印上全息图的可能性进行研究。全息图需很精密的细纹,每毫米达1000线。研究人员为此找了许多材料,包括碳水化合物、食糖、植物树脂、淀粉以及纤维素。该公司已成功地在巧克力糖上制成了三维全息图像。

其制造过程是:将合适的材料,如碳水化合物或糖溶解在液体中,然后在一圆桶中脱水。桶的内壁上刻有光栅结构,作为全息照相副版。当桶的涂层彻底干好后,将其取下切块。这样每片都是一张全息图,像小棱晶似的按彩虹图形反光。

该公司计划生产带有节日、图形和字体的全息图巧克力和甜食,到时食用者将会在埃菲尔铁塔顶上卖的点心上,看到巴黎的立体全景。公司认为,这样做的好处,一是标新立异,起到一个广告的作用;二是食物全息点缀完全是物理技巧,不需要任何着色和添加剂,食用相当安全。更重要的是通过此项技术开创了可食商品防伪的新方法,如名贵的药品。也就是说同样的技术也可以用于药丸和胶囊,这样仿造就变得相当困难和费用昂贵。据估计,美国医药公司仅由于他人仿造,每年就会损失14亿美元。如采用这种技术,无异等于增加了公司的收入。将大楼运到现场展示的广告

商品经济的发展推动着人类社会物质文明的进步,其中广告功不可没。各种跨国的展览会和贸易洽谈会都是企业亮相的大好时机。实践证明,图片、资料、录像带的效果远不如实物展出的广告效果。例如著名的巴黎航空博览会、新加坡的兵器工业展览会上,国际上著名的大公司都不惜工本,跨洋越海将实物送展。但毕竟展出场地有限,不可能将产品全部样品一一展出,况且有些物品根本无法运输,如房地产的大楼,无论如何是搬不到展厅的。但激光全息技术的出现却轻而易举地解决了这个问题。例如美国三家著名的全息图片制造商,联合为新英格兰开发公司制作了一幅34英寸×72英寸的合成全息图,这是一座大型建筑结构的模型,其图像不仅展示了结构的外部,还展示了其内部,可在两者间进行变换,雇主对此非常满意。

在西方国家,全息图已经成为商品,它的发展也决定于市场需要。目前巨幅全息照像的用途主要用于商业展览和展示,除上述不可能移动的物品适用外,几乎所有可以用广告的地方都可以应用。其优点一是增加摊点或新产品的可见度。一幅大尺寸全息图在众多的宣传图像中,可更鲜明突出地引人注目,甚至可以取得意想不到的轰动效应;二是可以提供更大的视角和更大的观察范围,能容纳更多的信息和更大的景深,因此大大增强再现效果。

全息图在某些方面甚至可以超过实物展出的广告效果,清楚地展示一种产品的剖面或一个思想概念。特别是展示的不是已生产的产品实物,而仅仅有设计模型或设计图(如计算机绘制的图像),尤能显示其作用。1986年,日本丰田公司曾把根据新设计的构思,用计算机制成汽车模型,并将它拍摄成巨幅全息图片,使更多的人开始认识到,全息图竟然有如此奇妙的功能以代替实物和模型。美国的ADD公司曾用计算机制图法制作一幅大尺寸的发电机三维计算机全息图,看起来一目了然,做为教学工具非常合适。用图像告诉顾客

宝丽来公司在应用全息照像技术上别具一格:该公司把全息图附在一种胶带包装上,它起着双重作用:既闪闪发光,吸引顾客,又帮助顾客懂得如何使用该产品。这种医用胶带是为护士专门设计的,其包装的特点是护士不用脱去手术手套就可以打开这种无菌胶带。公司的梦幻全息图显示用两手拉一根胶带,稍微变换一下观察角度,就会发现图像在动:从一个角度看胶带打开,换一个角度则又关闭。随着角度的变换图像的颜色也在变化,从鲜黄到橙黄又到绿色,使人感到赏心悦目。该公司声称,他们的目的是要让顾客知道如何打开胶带,因为他们已习惯使用普通胶带,这样可比文字更形象地说明使用方法。胸前飘花的时装

近几年来,全息立体图在像质、色彩等方面均有显著的改善,效果越来越好,引起了人们的瞩目。1991年4月,在巴黎举行的国际创新展览会上,法国展出了用全息衍射箔作为服饰的时装。英国空间时代公司更发展一种可以剪裁、缝纫,并可用机器清洗的全息编织品,用它制成的衣、裤、帽、夹克、衬衫、乃至“比基尼”泳装,已在英、法、德、西班牙的一些商店中出售。穿着用全息衍射箔作为装饰品的服装,在阳光照射下熠熠生辉,当观察者的角度或光源的角度以及距离合适时,就会在穿着者的胸前或帽子上“飘”出一朵花或是其他什么玩艺,给人一种新奇的感觉。这也是开拓模压全息应用领域的又一尝试。

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