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6章

人们对碳60的兴趣,开始只是考虑到其具有很好的化学稳定性,不易与一些氧化气体发生反应,在常温常压下是绝缘体,加热到300多摄氏度也不会发生变化的热稳定性等特殊性质,预测可能会成为新一代的润滑剂或催化剂。然而,1991年4月,美国贝尔实验室的研究人员,在碳60的分子中掺入少量钾原子后使它成为超导体,其临界温度为18K,并将掺钾碳60分子置于与空气隔绝的环境中进行了导电试验。这一发现引起了超导科研工作者们的极大兴趣,纷纷组织力量对碳60进行研究。1991年5月,美国几家研究所用铷取代钾,使临界温度提高到30K;7日,日本电气研究所通过加铯,使它和铷在碳60中生成化合物,又使临界温度提高到了33K。

正是在短短的3个月内,碳60超导体的临界温度提高了近1倍,使科学家们看到了碳60这类碳集束分子作为超导体的巨大潜力。化学家们认为,如能制得碳540,即使碳60分子内的碳原子数目增加9倍,就有希望成为室温超导体。目前正在进行碳240的合成试验。

从理论上讲,碳60的化合物的超导临界温度尚不及氧化物陶瓷等,为什么科学家和超导界的人们都这样钟情于碳60呢?原来,碳60具有已知的其他超导体所没有的优点:一是通过隧道扫描显微镜,可以定性定量地对碳60及其混合物进行稳定地观察、测量和拍照,而其他氧化物在这一方面比较差;二是碳系超导体具有很好的加工性能,如可以很容易地抽拉成细纤维等,这一点是陶瓷系超导体所根本不具备的,所以科学家们对碳60寄予以厚望。

激光与文物鉴定

激光,可以用来鉴定文物的成分,而对文物不致于造成损害,在这方面深得人们的信任。

例如,1965年在湖北发掘到极为珍贵的越王勾践剑。为了揭开这宝剑经过2000多个春秋不锈之谜,我国考古工作者用激光显微光谱仪对它进行光谱分析,查明古剑不锈,是由于含有大量的铜、锡以及少量的镁、锰、钛等元素。

奥妙就这样揭开了,古剑仍完好如初。

有一幅16世纪德国的古画。画中修女身着浅蓝色外衣和深蓝披肩,从表现感觉来说,它们是由不同的颜料画的。

那么,事实上是不是这种情况呢?

科技工作者便用激光拉曼散射光谱进行鉴定。他们把经过光学聚焦系统聚焦成细束的激光照射到古画上,然后把从古画上的散射光导人拉曼散射光谱仪。这样,把所得到的拉曼散射光谱与已知颜料的标准拉曼散射光谱相对比,就可知道古画上被激光束照射部位的颜料成分。

通过检测发现,这幅画中的蓝色是一种叫普鲁士蓝的颜料画的,这种颜料是17世纪才有的。这就断定,找到的这幅画是1704年以后绘制的,因而,它不可能是16世纪的画,这就是说这幅画是赝品。

激光牧场

在呼仑贝尔大草原上,牧民们用土墙或栅栏把一定的区域围起来,或是养草,或是放牧。随着科技的发展,原来的木栅栏换成了铁丝网,上面通上高压脉冲电流,当牛羊一碰上便被电击一下。虽然电压高,但由于电流非常微弱,所以,对牲畜没有什么危险。时间一长,牲畜由于条件反射,便不会越过围栏了。这种装置被牧民称之为“草库仑”。

那么,能不能把“草库仑”移到大海上去呢?长期以来人们尝试了许多种办法。如使用浮漂、栏栅及护网等工具,把鱼群圈在一定的区域内活动。但这些方法都存在着维护管理困难、捕捞船带来的污染、浮漂阻碍海水交换而引起水质恶化等问题。所以“海洋牧场”的设想一直未能找到有效的途径来实现。

随着激光应用领域的不断扩大,一些国家的科研人员就想到了用激光在海上建立类似于电栅栏草库仑的海上养殖场。

日本某研究机构对用激光控制鱼群活动的设想进行了试验。试验分为用激光诱鱼和用激光驱赶控制鱼群两个内容。

激光诱鱼试验。这项试验在室内小面积水槽里进行,该水槽是个容量为24立方米、平均水深50厘米的正多边形水泥池,为了比较鱼群在受光刺激与不受刺激时所出现的不同,池内每隔120度角,设了三个观察面(S0,S1,S2)其中S0面装有激光刺激系统,S1和S2面则没有。

激光系统用氦-氖激光器作光源,光为633纳米的红色可见光,输出功率为5毫瓦。另配有3套平行光纤系统、反射镜及驱动装置各一台,整个试验过程由计算机控制。

激光系统启动后5小时,鱼群没有明显反应。经过连续25个小时光照刺激后,鱼群对光产生了明显的变化反应。在激光照射后,鱼群对光产生了视认,所以被引诱到光源附近。

经过后期连续的试验,并通过对获得的数据图表进行分析,发现激光在工作状态下,鱼群总是集聚在光源一定距离内游弋。

继室内试验完成之后,他们便在海面上进行更大范围的试验。

他们用底网、侧网等工具围成一个带有可开闭端口的9×18×2米的试验区。仍使用氦氖激光器作光源,但输出功率增加到10毫瓦,每小时耗电6瓦。使用了6组平行光纤系统。

试验中没有室内水槽所用的扫描光束。进入试验后,每天下午6时后端口开放,激光系统同步工作到次日清晨6时,端口封闭,激光系统停止工作。经过3昼夜的试验后,对激光控制区域内的鱼群进行捕捞和统计。结果表明,65%以上设有标记的投放鱼群仍留在试验区内。而另一除激光系统外设备条件相同的对照组,则跑得一条不剩。这证明激光控制鱼群是有效的。

日本石川岛播磨重工业公司,在激光封闭和诱鱼的基础上,另辟蹊径,计划进行把鱼群赶进网内或指定海区的技术。

其方法是,将激光束沿水平方向发射,形成“栅栏”,封闭一种叫真鲷的鱼群。当激光照射时,真鲷便试图避免这种刺激。

利用这种方法就可以控制和驱赶鱼群。

上述试验虽然取得了一定的成功,但也存在着许多问题。

如光在水中的衰减很大,更长时间的光照刺激会对鱼产生哪些生理影响等,都有待于在今后的试验中予以认识和解决。

激光技术与交通事业

20世纪80年代以来,世界人口迅速增长,人们认识到:

必须建立更加有效的运输系统来满足城市发展的需要,否则,发展就会受到影响。下面的实例表明:激光技术在发展廉价的智能运输系统方面,在降低运输成本、确保安全、解决城市交通拥挤、防止交通事故、减少行车时间和污染等方面将起关键作用。

东京是世界上最拥挤的城市之一,目前,全天约有70%的时间处于交通拥挤状态。为解决这一问题,早在1994年,日本就开始研制车辆信息通信系统(VICS),并于1996年投入实际应用。现在,在东京、大阪及其附近城市已建有2700个信号灯塔,共装备了5900个红外传感器。这一系统由日本警察总署管理,效果很好,正准备向其它城市推广。

在深入调查研究的基础上,日本决定采用红外通信系统来建立汽车与地区控制中心之间的联系。他们将红外车辆探测器安装在交通灯或建筑物顶上,每个红外车辆探测器包括4个发射器和1个探测器。发射器将激光(850纳米)射向地面,光束成锥形,角度较小,每个发射器只照射一个车道,4个发射器可同时照射4个车道。通过改变光的振幅,可向汽车发送来自地区交通控制中心的交通信息,速率为1024千比特/秒。装在发射器旁边的探测器,接收来自汽车的信息,速率64千比特/秒。在汽车上,也装有一套发射/接收系统,接收器接收来自红外车辆探测器的信息,发射器发出司机的要求信息。为避免干扰,汽车发出的波长与红外车辆探测器的波长略有不同(950纳米)。当汽车进入红外光束时,就可发射和接收信号。在车速小于70公里/小时,4车道的数据不会混淆,全市的红外车辆探测器与160多个地区交通管理中心连成网络,司机可随时知道有关地区的情况,选择最佳行车路线;地区交通管理中心可随时了解:在某某区段有多少汽车通过,它们的方向、速度如何,并能及时告诉司机,如何选择行车路线才不会因交通拥挤而耽误。同时,地区交通管理中心还可利用这些信息,采取适当措施,如关闭高速公路入口、调整红绿灯开通时间、迅速处理交通事故等来管理交通。

这是目前世界上第一个用激光来管理城市交通的网络,实践表明:该系统在解决交通拥挤、合理利用现有道路资源、节省行车时间、减少污染等方面具有强有力的生命力。

在德国Wuppertal,西门子公司研制的一套红外系统能进一步提高缆车的安全系数和降低运输成本。

将两个CCD摄像系统装在缆车两端的车站上,它们可将车站的全貌和潜在的危险情况全部摄入镜头,然后,将信号转换成波长为850纳米的调幅信号,发送到装在缆车顶部的接收器上。当缆车进站时(离站6米的范围内),就可收到此信号,红外探测器再把信号转换成视频信号,在司机室内10英寸的监视器上显示出来。列车离站后,信号消失。该系统使运输费用降低,人员减少,安全性能提高。西门子还准备将类似的系统用于电车。

美国激光通信公司曾为NASA空间往返飞船建造过一个红外对接系统,现在,该公司打算将同样的技术用于船运公司。

1993年,人们研制成功了一种低价的码头引航系统,该系统可实时为司机提供有关船速、方向、距离等信息。该系统包括两个装在码头上的传感站,每个传感站包括两个传感系统:一个是脉冲运转的半导体激光/探测器系统(运转波长为904纳米),另一个是K或X带的普通雷达。用激光来测量距离和船的速度比普通雷达精确得多,在小于300米的距离内,精度为±3厘米,速度精度为±2.572厘米/秒。传感站主要靠激光系统,普通雷达仅作备用。

从两个传感站发出的激光用来测量距离、速度和来船的角度,信号通过电缆传给码头指挥中心,中心再通过无线电将信号传给船长。船长可用手提式的仪器接收指挥中心的指令,驾驶该船安全停靠码头。以前,为实现这一任务,通常采用声纳系统,但声纳系统的精度不高,而且价格昂贵。现在的系统易于安装和维修。

日本三菱公司采用类似的技术,将扫描激光雷达用于汽车防撞。将可使半导体激光束扫描的发射机(波长850纳米)装在汽车前面的挡板上,对前面150米的路面进行扫描,扫描角度为12°(由80根扫描线组成)。探测器接收车前物体反回来的光线,系统可决定车前物体的位置、大小和给出汽车的相对速度。

另外还有两个类似的系统用来观察汽车侧面和后面3~5米内的物体,侧面和后面的激光雷达辐射145扫描线,可覆盖的角度达270°。

激光与图书出版

在前面,我们介绍了激光在光通信、光盘、激光印刷、激光显示等领域的应用,毫无疑问,这些技术均也可在文化领域中获得广泛应用。

在文化艺术领域,字画的色素褪化是令人头疼的问题,它影响人们对历史的真正了解。为了保存难得的稀世珍品,往往需要采用非破坏性的分析技术,并能在现场进行分析,希望借此来识别原有色素,找出色素褪化原因和恢复、保存它的方法等。英国科学家用拉曼显微镜研究拜占庭时期的书中插图就是一例。

出版于13世纪拜占庭时期的一本教科书中有60幅精美插图,价值百万美元,是真正的稀世珍品。拜占庭帝国存在于4世纪到1453年期间,首都是伊斯坦布尔,这本书是这个时代仅存的两本类似的书籍之一,现在保存在英国图书馆内。

书的质量很差,棕黑色的墨迹可透过很薄的纸张从反面看出。书的插图褪化得很厉害,有的地方,白色已变成黑色了。有的插图边缘色素褪化严重,有的甚至整幅图都受到影响。幸运的是:还有些地方还没有受到破坏,这样,就有可能研究这些未受破坏地方的原有色素,并与现代色素比较。

伦敦大学的研究人员采用拉曼显微镜、光谱仪和增强型光探测器列阵所构成的系统对插图进行研究。他们选用输出功率为5毫瓦的氩离子激光器(466纳米和514.5纳米)和氪离子激光器(647.1纳米)。为了保护原有色素不受破坏,再加中性滤光片,使到达色素表面的光功率仅为0.5毫瓦。激光由显微物镜聚焦成直径为1微米的光斑,拉曼散射信号用同样的物镜收集,经单色仪到探测器。用这种方法能够测出一粒色素的拉曼信号,然后,再与已知的那个时代的色素信号比较。

研究表明:白变成黑是由黑色的硫化铅所引起的,硫是引起退化的主要原因,这可能与19世纪末伦敦的大气污染有关。调查表明:直到19世纪80年代,英国图书馆一直都在用气体灯照明。他们测出了5种色素:朱红、天青石、雌黄、雄黄、类雄黄。类雄黄是从来没有测到过的。

研究还在进行,在这些研究的基础上有可能使许多古老的艺术品重放光彩。预计拉曼显微镜有可能进入世界各国的博物馆。

激光保护古建筑

法国以其丰富的古建筑遗产而自豪,为了保护这些古建筑,每年约需800多万美元。其中,约有20%用来清洗这些历史性的建筑,要求所采用的技术对环境不会产生污染。用激光来清洗石头一直是很贵的,因为需要将庞大、笨重的激光设备从实验室搬到现场,但是,现在由于Brite计划的顺利完成,激光系统已变得紧凑、轻型、省时、省钱了。

Ouantel公司生产的这台激光系统名叫Lama,意思是便携式清洗门面和历史建筑激光系统。它包括两大部分:自维持冷却系统和Nd∶YAG激光系统。激光器工作于Q开关状态,波长1064纳米,长10.97米有保护套的光纤将激光从主机传送到小于1.359千克(3磅)的激光头部。激光的平均功率为20瓦,比过去的系统(3~15瓦)大多了。清洗速度与平均功率成正比,所以Lama的清洗效率比以前的激光系统高7~9倍,每平方米的清洗价格也比以前降低了。

该系统成功的关键是采用光纤。在采用光纤之后,不仅使光束的操纵更加方便,而且还使光强分布呈平顶状。过去,光束呈高斯分布,中间部分光较强,容易将基质材料烧毁。平顶光束使中间和边缘的光强一样,从而使清洗更加均匀。激光射到建筑物表面,黑色玷污吸收350毫焦的光能,蒸发并形成膨胀的离子气体,引起的冲击波将残余的沾污物带走。

采用10纳秒的激光脉冲,可防止热量向基质材料扩散。