书城科普读物百科知识-科学百科-激光科技(科普新课堂)
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第5章

不难想像,经过适当时间的连续飞行,就能测出较大范围的海底深度,从而整体了解暗礁的位置、高度和面积大小,并以此为基础,制成一幅精确的海图。

全世界海洋的面积有3.6亿多平方千米,占地球总面积的71%。

海底蕴藏着丰富的矿藏,如同巨大的磁石吸引着人们去开发、利用。然而,海底漆黑一片,给水下探测带来了极大的困难。

如果用其它光源进入水域,光源发光,则照向四面八方,被照亮的区域远不是人们所理想的极限。然而,激光技术出现之后,为人们开发海底宝藏带来了曙光。

波光范围在450~530纳米的蓝、绿色激光,穿透水的本领很强,能进入海洋几百到几千米的深处。为人们综合开发、利用海底资源提供了理想的“光源”保证。

激光显微镜

自从胡克发明显微镜以来,显微镜一直是最直接的观察和精细检测的手段,为适应科学技术的发展,显微镜自身也在不断地发展,逐渐形成了一个琳琅满目的显微镜家族,如光学显微镜、紫外显微镜、电子显微镜、超声显微镜等。光学显微镜由于工作于可见光波长内,无论如何提高镜头的精度,也无法分辨被观察物体小于100微米的细节。紫外显微镜由于像差等问题难以解决,在实践中难以应用。而超声显微镜的分辨率还不如普通光学显微镜,只能用于特殊场合或进行物理演示。称雄一时的电子显微镜,虽然有很高的分辨本领,但也存在不少难以克服的缺点。例如,电子束要求真空,这就使观察活的、潮湿的生物样品极其困难。高能电子束的轰击,对样品也有明显的损伤。对于本身发光的样品,电子显微镜就无可奈何了。

由于在科学研究和实际应用过程中,人们对显微镜的要求越来越高,上述几种显微镜已远远满足不了科学研究与生产实践的需要,迫使人们寻求其他的方法。经过多年的探索,终于制成了激光显微镜。

X射线激光显微镜

英国威尔士大学医学院的罗伯特·戴维斯博士研制成功的X射线激光显微镜,以波长比可见光短100倍的X光作光源,所以有比可见光显微镜高100倍以上的分辨能力。

使用X射线激光显微镜,可以直接观察生物样品,不必像电子显微镜那样需对样品染色。由于所需X射线剂量很小,因而对样品的辐射损伤也大为减少。利用这种显微镜,能使生物学家直接观察到控制繁殖、抵抗疾病,以及其他许多科学家都期望了解的生理功能的微观过程,能够最精细地揭示活细胞内的微细结构,将为生物学家开辟一个科学发现的新天地。

在X射线激光显微镜中,可使用多种不同的显微镜技术。如接触显微术、扫描显微术、波带板成像术、多膜层反射镜成像术和掠入射光学元件成像术等。这些技术各具特色,以适应不同的要求。例如把一种抗蚀剂的光敏物质作为照相底片,把它放在要观察的样品下,用X射线束曝光,就得到与样品同样大小的X射线照片,即称“X射线接触显影术”。用这种方法,可以拍摄人体血小板的照片,利用波带板成像术,可以拍摄厚度只有几微米的肝细胞截面照片。X射线激光显微镜,还能清晰地显现出红血球单细胞,因而能给医生提供较理想的毛细血管图像。

共焦激光扫描显微镜

由德国卡尔·蔡司公司生产的这种显微镜,把激光光束聚焦到生物样品的某个平面,而把该面前后的离焦光束挡掉。

这种被称作“光学截面制图”的技术,可以将不同聚焦程度的图像重叠,焦深很大。系统分辨率达0.2微米。尤其是它的三维成像能力,使研究人员可以在原生物样品中“旅游”,或确定吸收荧光染色的细胞组织位置。因此可显示活细胞的相互作用,以及DNA或神经网络等细胞物体的三维结构。在对染色体进行分析时,研究人员可在一个正在分裂的细胞扫描场中观察到转变期的整个过程,然后可变焦到某一个染色体,寻找可能的缺陷和断裂。由于许多样品都很娇嫩,不能承受高能激光,所以要求荧光探测用的光电倍增管具有高灵敏度,以免荧光衰退。

这种共焦激光显微镜正用于神经学、遗传学、免疫学、病理学、生物生理学。当然也可以用于工业领域。如陶瓷和金属超精细加工,可用这种显微镜探测到材料表面1/10微米量级的微小高度起伏。

原子力激光显微镜

扫描隧道显微镜技术曾在1986年荣获诺贝尔物理学奖。

这是物理学与计算机结合的产物。它是把电压加到样品和探针上,当探针接触样品时产生隧道电子,其隧道电子数将随样品到探针的间距而改变,目前其纵向和横向分辨率均可达埃(微微微米)级。

在扫描隧道显微镜基础上,美国数字仪器公司又推出了原子力显微镜。该技术是把前者的导体探针改为金刚石针,并使其悬浮在样品表面。利用光学杠杆法进行原子间排斥力的探测,从而给出被测表面的三维数据和图形。

与扫描隧道显微镜相比,原子力X激光显微镜不仅可检测导体,而且可检测绝缘体,并由接触式改进为非接触式。

激光分析术

利用激光具有的瞬时能量大,方向性强、发散角小的特性,可以进行微米级的微区和小颗粒的特殊分析。

某海关有一商人,从国外带回一珠宝首饰,但放心不下是真是假,就请海关予以鉴定。海关分析人员首先用直径25微米小的激光束激发摄谱,然后以50微米与120微米的直径在同一区域连续进行激发摄谱,获得三种谱线。然后对样品进行分析。其结果为,第一条谱线显示有金、银;第二条谱线含有金、银、锗以及铜、锌;第三条谱线显示有少量的金、银、铑外,主要成分是大量的铜、锌。根据摄谱分析,结论是:这件珠宝首饰是由黄铜制成的假货。并分析造假者的手段是:先涂上铑层用于抗酸腐蚀,以对付珠宝商常用的贵金属划痕和酸蚀法检验,然后镀上约30微米厚的金银合金层。真相大白,商人在急呼“受骗上当”之后,拿着珠宝首饰左右查看,也没有发现分析过的痕迹。当向分析人员询问时,分析人员告诉他:

“用激光分析方法检验珠宝,绝不损害其外观价值。这是因为激光分析点很小,留下的痕迹很小,肉眼难以发现,不会多于佩戴过程所引起的磨痕。”

某地曾发生一起撬开保险柜,盗走巨额现金一案。在群众的大力协助下,很快抓到了几个嫌疑犯,但每个人都矢口否认。经过搜查,从其中一个嫌疑犯家中的斧头上发现有几处油漆印子,并有三片很小的油漆末。公安人员想把这种油漆末和保险柜上的油漆层进行成分比较,以便确定是否属同一种油漆。若采用一般的分析方法,需要一定数量的样品,而现在只有用放大镜才能看得见的三片漆末。在这为难之时,激光分析显了神通。经过对油漆末的直接激发摄谱分析,结果证明两种油漆的成分完全一致,为破案提供了一个重要的参考证据。

由于现在的犯罪分子作案手段都比较狡猾,往往会破坏现场,消灭罪证,所以给侦破带来很大的麻烦。利用许多物质都可以激发出荧光的这一特性,公安人员经常将其用于现场勘查分析。由于受光源的局限,以往仅仅用于指纹检测等荧光特征比较明显的项目。而利用激光技术就可以对以前无法提取的痕迹进行勘验。例如,在许多情况下,血液潜迹所含的血量甚少,散射荧光的能力很弱,加之背底荧光的干扰,所以使用普通的方法来检测十分困难。1992年11月,我国某研究部门发表了一种利用激光激发来提取血液潜迹的方法:他们用自行配制的汞溴红试剂喷洒待检部位,然后再用氦离子激光束照射,使血迹的荧光强度明显提高,甚至可以用滤色片肉眼观察。用这种方法在化纤地毯;红色油漆地板、黑色棉布等载体上均取得了成功。尤其令人惊讶的是,即使用肥皂水洗过,仍然可以激发出令人满意的荧光潜影,使血迹显现。同理,采用这种方法对以往无法提取的指纹,也取得了很好的效果。这无疑为公安人员提供了一种制裁罪犯的得力手段。

美国芝加哥一名法官被控贪污,法庭下令其交出财务记录,他却将有关资料烧毁了。然而他并未逃脱法律的惩罚,原来是激光技术帮了大忙,美国税务局有一个科学签证实验室,专门研究对付财务犯罪的办法。其中之一就是可以在烧过的文件的灰迹中辨认出文字。过程是这样的:专家们先用特制的刀具,将成堆的纸灰一层层地分离,夹在玻璃片中。然后,逐张用紫外或红外激光照射,原来的字迹就会显露出来。在显露的同时,用摄影机拍摄下来,就可成为最为有力的法律证据。据报道,用激光技术可分辨出60多种不同的墨水字迹。

当然,纸灰太碎或残缺太多,无论如何也是无法提取到可供辨认的笔迹的。

激光镊子

在生活中,人们常用金属、塑料或竹子制作的镊子,夹取手指不易拿住的微小物品,但要想夹取像细菌那样小的微生物是根本办不到的。

美国新泽西州的贝尔实验室,研制成功了一种称作“激光捕捉器”的十分新奇的激光装置。这种装置能够捕捉、操纵像细菌、病毒这样小的微生物,而又不致伤害它们。这种装置的作用就像镊子一样,所以人们又叫它为“激光镊子”。这种装置的研制成功,为微生物学家们提供了对指定的单个活体微生物,进行一系列实验的必要条件。

“激光镊子”的原理很简单。在日常生活中,人们对于带电物体能够吸住轻的不带电的物体,如纸屑、灰尘等,这些现象大家都是很熟悉的。这是因为不带电的物体,在电场中被极化,处于非均匀电场中的被极化物体,受到电场力的作用,而移向电场强度高的地方。但平时我们所能掌握的电场是有一定的空间占位的,所以远不能达到“镊”住一个细菌的要求,而是“吸”了一“大堆”。

早在1979年人们就提出了利用激光束来捕获中性原子。

1985年实现了用激光束来俘获悬浮于空气或液体中的微粒。

经过科学家们不懈的努力,终于实现了用激光俘获原生动物、酵母菌的梦想。

光也是一种电磁场。激光束的光强呈高斯分布,即光束中心强度最高,向外逐渐减弱。聚焦的激光束中,在光轴方向上,离焦点越近,光强越强,也就是说电场越强。一旦小的微生物落人激光束中,就会受到激光束的作用力,而被推向光束最亮的区域。激光束的焦点处,就像漩涡的中心一样,使它们无法逃出。因此可以把这些微生物“镊”住,并可以予以控制和移动。

可能存在的问题是,在“镊”住细菌等活体微生物的同时,也许会使它们受到损伤。这项技术的一个关键,就是要选择合适的激光波长和功率。例如利用近红外的波长和5~80毫瓦功率的掺钕钇铝石榴石激光器,可以对大肠杆菌和酵母菌进行无损伤俘获,并可以将其悬浮在激光“陷阱”中,观察其分裂繁殖过程的细节。

无性生殖激光手术

据外刊报道,西班牙的生物遗传学家杰罗多·卢克博士已经52岁了,事业成功,经济殷实,但美中不足的是膝下无子。

为了解决这一问题,他与太太合作,进行了一次大胆的尝试。

卢克博士采用一种特殊的激光刀,将太太玛丽娅子宫内的一个卵细胞的染色体串分开,让卵细胞自己繁殖,就如同她自己受孕一样。玛丽娅怀孕了9个月,已顺利地生下一个活泼可爱的小女儿,取名叫伊莎贝拉。

意大利的一位专家杰诺福图内特说,卢克博士成功地运用激光和无性生殖技术,复制了他的太太,因为这孩子体内所有的染色体与母亲都是一样的。从单纯技术的观点上来讲,伊莎贝拉是玛丽娅的妹妹,而不是她的女儿。

儿科专家发现,伊莎贝拉的成长过程与母亲一样。他们将玛丽娅小时候的医疗记录与伊莎贝拉作了比较,连他们的X光片也-样。女儿完全沿着母亲的脚印成长,两人在同一个年龄说话和走路。医生们预计,伊莎贝拉甚至可能与玛丽娅在同一个年龄出麻疹和水痘。

这例天方夜谭式的手术和结果,离开了激光技术显然是不可能实现的。

激光控制化学反应

化学工作者为得到想要的生成物,往往使用较为粗糙的方法。例如改变温度或浓度梯度,取一系列呈阶梯态的数值,然后予以比较分析和进行组合,最后优选出最佳方案。显得费工费时,况且很难保证精度。最近,伊利诺斯大学的研究人员推出更为精密且直接的控制化学过程的方法。这是通过改变一组激光束的相位关系,即改变两束激光的波峰和波谷的相对位置来控制电离速度,此法已用于氯化氢分子的电离。

他们用112纳米的紫外激光单光子激发,以及336纳米激光三光子激发,来激发氯化氢分子,受激氯化氢分子进一步吸收33纳米的一个光子后,发生电离。重要的是,使用的112纳米激光是由336纳米激光产生的,因此两束激光的相位关系严格符合定义。他们让两束激光在不同压力的氢气或氮气中通过,能够预测其相位关系,且能加以改变。这种方法的再现性很好。如同理论预测的那样,它依赖于激光的相位关系,使得分子的电离速度显着不同。此法无需极超短激光脉冲,技术上不那么困难,可望用于其他的分子系统。

激光与碳元素的关系

日本东京都立大学理学部,用激光制作出了每立方厘米100万个以上的碳原子团,他们还计划制作出每立方厘米100亿个的碳原子团,并计划研究原子团的构造结构。

他们把棒状石墨放在氦气中,用激光照射,即产生大小不等的等离子团混合体,把这些离子团进行加速运动,使其变为大小一致的离子团。然后利用电场、离子透镜,使其高密度化。再用激光照射使之中性化。这样即可制作出密度为从前原子团密度10倍以上的碳原子团。

激光对碳元素的意义远非如此,引起全世界上万名科学家和工程师钻进去研究的碳60(分子式)即为一例。

1985年美国科学家克劳特和斯莫利等人,在用激光束轰击石墨靶表面时,意外地发现了碳60。所谓碳60,就是一个由60个碳原子构成的空心大分子。根据化学键理论及拓扑学原理推断,碳60分子构型类似空间正20面体,碳原子之间相互键联,形成一个由12个正5边形和20个正6边形组成的闭合系统,如果做成一个模型,酷似一个小足球,所以碳60还有一个别名叫做足球烯,亦称巴基球。