书城科普读物探究式科普丛书-五彩缤纷的光
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第8章 大话激光——光的运用(2)

VCD的视频压缩和解码技术是美国人发明的,而第一台家用VCD机(实验用机)在1992年12月由中国安徽现代电视技术研究所研制成功。它可在计算机上播放,计算机上的CD视盘可以存放录像、存放电子游戏。现在,VCD给人们的生活带来了更大的乐趣。

人们可通过操作计算机达到双向交流,能看到精彩的画面,能听到动听的声音,同时,还可参与其中,扮演角色。

DVD:全称为Digital Video DISK,即数字视频光盘机,它是1994年诞生的新型机种。从原理上来看,DVD只是产品在各个方面上有了全面的提高,与VCD并没有本质的不同。如DVD光盘储存的数据可达4个G,一个DVD电影光盘可存多部电影,这大大降低了光盘的生产成本,方便了消费者携带。在产品分辨率和声道效果上,DVD都远远优于VCD。同时,其高清晰度也对它所配套的产品提出了更高的要求。但不管怎样比较,DVD仍然是VCD的下一代产品,它代表了数字视听产品的发展方向。

(3)医学领域里的激光

医学上的应用是激光大显身手的另一领域,如外科手术中的激光刀及激光在眼科、牙科、皮肤科与整容科上的独到应用。

激光刀切割的同时也进行了灼烧,这样可恰好封闭血管,防止手术中的出血问题及减少感染危险。这是激光刀的巧妙之处。

利用激光对牙齿进行无痛钻孔和去牙蛀,可使以前令人望而生畏的牙科手术大大地轻松简单起来。它不像以前的机械打孔,激光钻孔不会产生大量的摩擦热,不会对牙的健康组织产生影响。其所蒸发掉的仅仅是被腐蚀处的黑色牙区,因此,在手术过程中,疼痛感会大大减轻。

激光在眼科上的应用是令人叹为观止的,它不仅可焊接脱开的视网膜,封闭破漏的血管,而且还能够彻底摧毁漂浮在眼睛冻胶状液体中的微小的沙粒。通常,在不需要切开眼睛的前提下,就能完成手术,而且手术的疼痛感还大为缓和,这是激光手术最大的优点。

对于当今社会的不治之症-癌症,激光也提供了有效的武器。一方面来讲,人们可利用激光刀来切除肿瘤。另一方面,激光技术的运用,在癌症的早期诊断方面也起到很大作用,及早诊断,及早治疗。

人们可借助激光准确地分辨肿瘤细胞和正常细胞,同时,激光还能提供一个新的治疗途径,即激光化疗。人们可以利用一些特殊的化学物质,进行激光化疗,这些特殊物质在激光的作用下杀死肿瘤细胞,就可以达到治疗癌症的目的。

(4)层出不穷的激光技术

激光因其单色性、相干性和方向性的特点,特别适用于材料加工。

激光材料的加工是激光应用中最有发展前途的领域,目前已经开发出了20多种激光加工技术。

激光特别适用于自动化加工,因为激光的空间控制性和时间控制性很好。现在,由激光加工系统和计算机数控技术相结合而成的高效自动化加工设备,已经是企业实行适时生产的关键技术。这种技术为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前,已经成熟的激光加工技术有激光快速成形技术、激光切割技术、激光焊接技术、激光打标技术、激光存储技术、激光清洗技术、激光蚀刻技术、激光划线技术、激光微调技术、激光热处理和表面处理技术等多种。

①激光快速成形技术

激光快速成形技术集激光技术、材料技术和CAD/CAM技术(计算机辅助设计)于一体,是这三种技术相互结合的最新成果。人们可根据零件的CAD模型,利用激光束将光敏聚合材料逐层固化,使其精确堆积成样件。在不需要任何模具和刀具的情况下,便可快速精确地制造形状复杂的零件。这一技术已经在航空航天、电子、汽车等工业领域得到了广泛的应用。

②激光切割技术

这种技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中。通过其广泛而有效地运用,可大大减少加工时间、提高工件的质量、降低制作加工成本。科学研究证明,连续激光适用于非金属材料,而脉冲激光适用于金属材料。激光切割技术是连续激光的重要应用领域。现代的激光技术似乎已经实现了人们所追求的“削铁如泥般”的梦想。

③激光焊接技术

由于激光焊接技术具有溶池净化效应,可纯净焊缝金属,因而其适用于相同和不同金属材料间的焊接。这种焊接技术能量密度高,特别有利于那些熔点高、导热率及反射率高且物理特性相差很大的金属焊接。不过,如果人们用激光来切割实物和胶合板,实物和胶合板在被切开的同时也被灼烧了,从经济的角度来看,是远远不合适的。这是激光在工业领域中应用的局限和缺点。

④激光打标技术

激光打标是指人们利用高能量密度的激光对工体进行局部的照射,然后使表层的材料汽化或发生颜色变化的化学反应,从而使其留下永久性标记的一种打标方法。激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一,它具有精度高、效率高、通用性强、成本低和综合经济效益显着等诸多优点,是现代制造领域的关键技术之一。

这种打标方法可打出各种文字、符号和图案等,字符大小有从微米到毫米的量级,这些都对产品的防伪保护有特殊的意义。近年来发展起来的新技术-准分子激光打标,特别适用于金属打标,并可实现亚微米打标,已经广泛地应用于微电子工业和生物工程领域。

⑤激光存储技术

这是一种利用激光来记录视频、音频、文字资料及计算机信息的技术,是信息化时代的支撑技术之一。

⑥激光清洗技术

它的广泛采用能够提高精密器件的成品率,可大大减少加工器件的微粒污染。

⑦激光蚀刻技术

这种技术能够大幅降低生产的成本,特别适合于超大规模集成电路的制造,比传统的化学蚀刻技术工艺简单。

⑧激光划线技术

这是一种生产集成电路的关键技术,成品率可达99.5%以上,其划线细、精度高、加工速度快。

⑨激光微调技术

这种微调技术,可对指定的电阻进行自动精密微调,其精度、效率与传统的加工方法相比都要高,且成本要低。激光微调包括薄膜电阻与厚膜电阻的微调、混合集成电路微调和电容微调等。

⑩激光热处理和表面处理技术激光热、表处理技术有激光相变硬化技术、激光包覆技术、激光表面合金化技术、激光强化电镀技术等很多种。这些技术对改变材料的机械性能、耐腐蚀性及耐热性等都有很重要的作用。

第二节影像再现-全息照相

1.“神异玻璃”之谜

清朝的时候,有一个姓汪的官员外出,当他乘坐马车行走在一处河堤上时,天空突然阴云密布,电闪雷鸣,下起很大的雨来。这时,他急忙让车子停在一棵大柳树下躲雨。

雨过天晴以后,汪某下车小便。回来时猛然看见车窗内有好几个人影,心中不禁大吃一惊。

汪某马上揭开车帘观看,但车厢里空无一人。仔细观察后,汪某发现人影原来是在车窗玻璃上。等到他回到家,玻璃上的人影依然不散。

他的家人都以为是“神异”,于是,就把这块玻璃取下供奉起来。

这样,大约过了20年。有一天,汪家的儿童玩弓箭游戏,不小心打碎了被供奉着的“神异玻璃”。奇怪的是,在它的每一块碎片上,影像仍然是完整的。

翰林院侍读张亮基是汪某的外甥,他得到了这样一块碎片,因不明白,拿给他的好友姚元之看。这样,姚元之便把他自己所看到和知道的“这个神异般的玻璃故事”收入到他的《竹叶亭杂记》中。

2.全息照相的来龙去脉

照相机照出的相片一般都是平面的,用物理的话语来说,得到的仅是一张二维图像,没有立体感,很多信息都失去了。直到激光发明后,人类才第一次得到了全息照片。

那么,什么是全息照相呢?

全息照相是指一种记录被摄物体反射波的振幅和位相等全部信息的先进照相技术。其不仅可以记录物体上的反光强度,同时也可以记录位相信息。因此,一张全息摄影图片即使只剩下一小部分,也可以重现全部景物。

全息照片一般不用照相机拍摄,而要用一台激光器。用分光镜把激光束一分为二,其中一束直接照射到感光胶片即全息干板上(我们称之为参考光束),另一束(即物光束)照到被摄对象上。当光束被物体反射后,它的反射光束也就被照射到胶片上。这就是全息照相的摄制过程。

全息照片和普通照片是截然不同的两种照片。当人用肉眼去看时,全息照片上只有些乱七八糟的条纹。但是若用一束激光去照射该照片,眼前就会立刻出现逼真的立体景物。如果从不同的角度去观察,就可看到原来物体的不同侧面,让人感觉非常奇妙。若是不小心把全息照片弄碎了,也没有关系,因为人们可随意拿起其中的一小块碎片,用相同的方法观察。在每一张碎片上,原来的被摄物体仍能完好无损地显示出来。

现代科学表明,全息照相利用的是光的干涉原理,它利用两束光的干涉来记录被摄物体的信息。

3.别出心裁的应用

美国有一家制作食品的公司,他们的设计师通过独出心裁地设计,巧妙地把“光”和“甜味”结合在一起,生产出了一种令人叹服的新奇糖果,并把它取名为“全息糖果”。生产师们要在巧克力和糖果的表面镶上一条条极细的波纹,制作过程非常特别。当光线照射到这些波纹上时,它们便会自动扩散,形成一个个神奇的全息影像,神奇而有趣。

这家公司还打算与好莱坞及其他食品商合作,以便使儿童电影中的某些场面能在糖果上重现。假想一下,若是在糖果的内层加上各式全息影像,当糖果在溶化时,便出现各种不同的影像,这无疑是非常神奇而有趣的现象。

第三节大显身手-激光通信新姿态

1.远古的记忆-难忘烽火台

现在每当我们提到烽火台,就会自然地想到长城。实际上烽火台一般都是筑在长城沿线的险要处和交通要道上。如果一旦发现敌情,它便立刻发出警报。夜里燃烧加有硫黄和硝石的干柴,使到处火光通明,而白天则点燃掺有狼粪的柴草,使浓烟直上云霄,用以传递紧急军情。烽火台通信,是奴隶制国家根据政治和军事方面的需要而设立的。据史书记载,早在3000多年前,我国就开始了利用烽火台通信的方法。关于烽火通信,几乎还有一个家喻户晓的“千金买笑”的故事。

现在,人类社会的文明程度和科学技术已经得到了很大的提高,但是简单地利用光传递信息的方式仍在广泛地使用。如红黄绿交通信号灯、旗语、百叶窗和灯光的灯语等。旗语产生于西方的大航海时代,舰船之间一般都通过用旗语进行联络。直到现在,各种不同的信号旗仍然在船舶上悬挂着。

不过,不论是烽火台,还是旗语、交通红绿灯等,它们都是光通信形式的一种。它们都有一个共同点,就是利用大气来传播可见光,然后,通过人的眼睛接收。正因为如此,我们不难理解。不过,这些都不是真正意义上的光通信,真正强大的光通信应该是光纤通信。

我们所说的光纤通信指的是一切运用光作为载体而传送信息的通信方式的总称,它是一种依靠光纤作为媒质来传送信息的通信方式。

2.路漫漫其修远兮-光通信的发展之旅

尽管人类很早就已经认识到用光来传递信息(如3000多年前,我国的烽火台-它是一种用光传递远距离信息的设施),但是,在其后的很多年中,除了灯光闪烁、旗语等传递信息的方法出现,光通信几乎没有什么大的发展。灯光闪烁、旗语都是非常原始的光通信方式,不能称得上是完全意义上的光通信。

在近100年的时间里,电话的发明,被认为是人类近代光通信的开始。随着人们对通信的要求越来越高,20世纪60年代后,光通信获得了突飞猛进的发展。一般来说,今天我们所说的光通信是指“采用光波作为载波来传递信息的通信方式”。当今社会是一个信息社会,因而光通信的魅力正逐步地展现在人们的面前。

(1)电话-“光话”时代的开端

我们知道,光通信的出现比无线电通信要早。1876年,贝尔发明了光电话,这是光通信技术开始的标志。1896年,波波夫发送与接收了第一封无线电报,这象征着人类社会无线电通信的开端。在贝尔本人看来,在他的全部发明中,光电话无疑是最伟大的发明。

人们开始研究的光通信都是利用光在大气中传送信息,因为这种方式方便简单。但是,不利的天气条件严重阻碍传输信号。在大气中传送信息时,遇到下雨、下雪、阴天、雾天等天气情况,信息会受到气象条件的诸多限制,就会看不远和看不清,也就是我们常说的能见度降低。此外,从通信技术上看,太阳光、灯光等普通的可见光源都是带有“噪声”的光,即光不纯,并不适合作为通信的光源。另一个问题是必须要有高强度、可靠的光源。

(2)近代光纤通信-光也可以“走弯路”

1870年,英国物理学家廷德尔在他的实验中观察到,如果把光照射到盛满水的容器内,从出水口向外倒水,光线沿着水流传播时,出现了弯曲现象,也就是光“走了弯路”。

这是由于在水流中出现了光的反射现象,使光看起来好像不符合光的直线传播定律。实际上,这时的光仍然是沿着直线传播的,但是以折线的方式前进。从某一方面来讲,光也可以“走弯路”。

廷德尔所观察到的现象,直至1955年才得以投入到实际应用。