最近有新闻报道称，江苏南通一名男孩用激光笔连续照射自己的左眼51次，最后突然眼前一片漆黑，什么也看不见了。

经医生检查发现，由于照射次数太多，男孩的左眼已经不可能完全恢复视力。这真是一则令人感到悲伤和惋惜的新闻，激光笔是一种较为危险的玩具，如果家长没有放任孩子随意玩弄激光笔，这则悲剧便有可能不会发生。

事实上，许多人可能对激光并没有一个清晰的概念。例如，激光是如何产生的？激光有什么作用？激光会带来哪些危害？除非是激光领域的研究人员和从业人员，其他人估计没有办法一下子回答出来。

为了在小朋友们问起这些问题时不至于一时语塞，今天我们就来捋一捋有关激光的一些小常识吧！

01

什么是激光？

从我们的直观印象来看，激光是一种非常明亮而强烈的光束。那么下面这些图片中，哪个是激光呢？

图源：维基百科

答案很明显，左图只是普通探照灯发出的光束，中图则是发光二极管（LED）发出的光，右图才是大名鼎鼎的激光。这三种光的发光原理是不同的。

探照灯和手电筒的内部结构较为类似，主要由光源和反射镜组成。光源发出的光线在反射镜作用下改变方向，以光束的形式向外发出。如果在光源的前方增加一个透镜，那就还可以调节光束的角度。

探照灯的内部结构 图源：作者自制

发光二极管是半导体二极管的一种，内部由P型半导体和N型半导体两部分组成，这是它的核心元件。在通电的状态下，N区的负电荷和P区的正电荷互相结合，同时会激发出许多光子。这些光子向四周各个方向自由传播，由此形成了散射光。我们常见的发光广告牌和霓虹灯等，就是由大量发光二极管组成的。

发光二极管的内部结构 图源：作者自制

激光则是由激光器发出的一种特殊光线，而下图所示的激光二极管是激光器的一种。这种激光二极管是在发光二极管的基础上，在P区和Ｎ区之间增加了一个特制的“谐振腔”。这个腔体的一侧安装了一个全反射镜面，光子无法穿过；与其相对的一侧则安装了一个部分反射镜面，光的强度达到一定阈值时便能穿过。

激光二极管的内部结构 图源：作者自制

当激光二极管通电时，首先由正负电荷的结合作用而激发出了光子，这一过程与发光二极管类似。

不过，由于这些光子数量较少，因此被“困”在了谐振腔内，只能在两个镜面之间像乒乓球一样来回反弹。

当某个光子正好撞向了半导体原子时，两者的碰撞作用会再次激发出新的光子，并参与到反弹的队伍中去。在持续的电流驱动下，越来越多的光子在碰撞作用中被激发出来，并继续参与到新一轮的反弹、碰撞中去。

在这种正反馈式的”雪崩效应“作用下，光子的数量迅速增加，最终顺利从右侧的部分反射镜面穿过，形成了一束向外发出的激光。

尽管这种激光二极管在生活中很常见，生产量非常大，却不是出现最早的“元老“。

世界上第一台激光器是1960年由美国科学家梅曼发明的红宝石激光器，这种激光器以螺旋式的闪光灯管作为提供光子的激励源，而红宝石柱体则是用于对光子进行增益放大的谐振腔。到了两年之后，通用电气研究实验室的Robert Hall团队才发明了第一款以砷化镓为材料的半导体激光器。除此之外，常见的激光器还有气体激光器、液体激光器和光纤激光器等，除了工作介质不同外，它们的工作原理都是大同小异的。

红宝石激光器原理图 图源：维基百科

02

激光有哪些特性？

和阳光、灯光等普通光线相比，激光要更加的“纯粹“。普通光线一般向四周散射（光子运动方向各不相同），并且由许多种不同颜色的光组成（光子波长各不相同），而激光光束则由单一波长、运动方向高度一致的光子组成，因此具有单色、单向和高能量的特点。

普通光（上）和激光（下）的对比 图源：作者自制

其中，激光的单向性使得人眼无法在侧面看到激光的存在，只有被空气中的灰尘散射时才能隐约看清。这也是人们更容易忽视激光危害性的原因之一——毕竟和看上去很刺眼的探照灯灯光和高亮度LED灯光相比，激光一点也不刺眼，似乎并没有那么危险。

丁达尔现象可以让激光显形 图源：百度百科

但实际上，激光是非常危险滴！

由于激光具有高能量的特点，因此可以用来对金属、陶瓷、塑料等材料进行切割；可以在材料表面进行永久性标记；还可以进行焊接，形成均匀牢固的焊缝。高能激光束甚至还可以用于制造先进的激光武器，专门用来对付空中的各种飞行器。

激光切割 图源：鲁科智光

激光焊接 图源：双成激光

激光武器示意图 图源：人民网

除此之外，激光还具有很强的相干性。相干性是指激光光束中的各个光子之间的相位关系是固定的，不会随机变化。

这使得激光能够形成稳定的干涉图样，也使得激光能够被调制和放大，从而实现信息的传输和处理。光纤通信就是利用了激光的相干性原理，使携带了大量信息的激光在玻璃纤维中远距离传输，这样我们才能在家随时连wifi上网。

光纤 图源：光联线缆

神奇的是，激光还可以用于医疗领域，能够对人体组织进行切割、消融、凝固等治疗，具有创伤小、出血少、恢复快等优点，广泛用于眼科手术、皮肤美容、肿瘤治疗等领域。

激光在许多领域都可以大展身手，所以在生活中几乎是无处不在。

03

激光对人眼威胁巨大

激光是被写进我国“十三五”规划《中国制造2025》的重要产业升级新兴技术。但是作为一种现代科技的产物，激光同样是一面双刃剑——不仅有很广阔的应用价值，同时对人体存在着巨大的潜在危害，其中最严重的就是会对眼睛造成不可逆的永久性损伤。

当激光直射眼睛时，光束会直接穿过眼角膜和晶状体，直接照射到视网膜的黄斑区。

这一区域是人眼视觉最敏锐的地方，但是散热能力很差。一旦激光所携带的能量超过了一定的阈值，黄斑区的感光细胞就会由于温度迅速升高而被破坏，简而言之就是被“烤熟了”。可见激光对人眼的危害之大！

据调查，美国每月平均收到20多起有关激光致伤的报告，其中多数都是对眼部造成的损伤，看来淘气的熊孩子哪里都不会少。

被激光照射后出现的圆点状黄白色点状病灶 图源：四川在线

在这里还要注意的是，激光笔所发出的激光属于可见光范围，所以我们可以很轻易地避免激光直射眼睛。

但是一些摄像头、雷达等设备却可以发射人眼看不见的红外激光和紫外激光，这些看不见的激光同样会对人眼造成损伤，所以平时没事别凑上去盯着看哦！

参考文献：

[1]廖利芬,麻云凤,程旺,刘昊.激光产品使用安全现状分析与危害防范控制管理[J].中国检验检测,2018,26(02):63-64.DOI:10.16428/j.cnki.cn10-1469/tb.2018.02.018.

[2]激光.维基百科.https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%BF%80%E5%85%89

作者：流火

兵器工业某研究所，工程师

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号

来源：蝌蚪五线谱

编辑：TT