激光，点亮未来的医食住行

本报记者 华凌




继原子能、计算机、半导体之后，激光是上世纪人类的又一重大发明。它从诞生到现在已经走过50多年，给人类社会带来了许许多多巨大的变化。就像当初的发明者一样，我们可能仍然低估了激光的潜力和它将带来的冲击，由此我们期待它在本世纪仍可为人们的日常生活带来更多的惊喜……
早在1917年，著名物理学家爱因斯坦就发现了激光的原理，但直到1958年，激光才被首次成功制造。它一问世，即获得超乎寻常的飞快发展，不仅使古老的光学及其技术焕发青春，也生发了许多新兴的学科。激光正以特殊的方式深刻影响着人们的医、食、住、行。
激光为啥本事大
就本质而言，激光与普通光都是电磁波，传播速度每秒30万千米，而激光却有着独特的四大物理性质，也因此成就了其高超的本领。
那么，让我们来看一看，激光为啥本事那么大。
第一，颜色最单纯。太阳光和灯光看起来似乎是白色的，但通过一块三棱镜，可看到红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七种颜色的光。一束光的颜色单纯不单纯，实际上取决于其波长是否一致，可见光的波长是4000埃到7600埃。普通某种颜色的光，包含了一定范围内不同波长的光，如红光的波长是6000埃到7000埃。而激光的波长则非常一致，一束光中的波长差别只有千万分之一埃，甚至更小，是一种单色性极好的光。
激光的波长取决于发出激光的活性物质，即被刺激后能产生激光的那种材料。刺激红宝石就能产生深玫瑰色的激光束，可应用于医学领域如针对皮肤病的治疗和外科手术。公认最贵重的气体之一氩气能够产生蓝绿色的激光束，有诸多用途，如激光印刷术，在显微眼科手术中也是不可或缺的。半导体产生的激光能发出红外光，对此我们的眼睛看不见，但其能量恰好能“解读”激光唱片，并可应用于光纤通讯。
第二，方向性极好。所谓方向性好坏，是指光的集中程度。平时我们打开室内的电灯，整个房间被照亮，那是因为所见的灯光向四面八方散射，就像电影院散场后人们向不同方位以不同步伐走似的。又如打开手电筒，光在发出的部位直径不过3厘米—5厘米，待射到几米之外就扩展成一个很大的光圈，这说明光在传播中发散了。而激光却可以控制，使光能量在空间和时间上都可高度集中，在传播中始终像一条笔直的细线，发散的角度极小，一束激光可射到38万千米之外的月球上，光圈的直径充其量只有2千米左右。就好比电影院散场后，大家排着队朝着一个方向迈着相同的步伐，随着“一二一”的口令，齐刷刷地前进。
第三，亮度最高。激光是大量原子由于受激辐射所产生的发光行为，亮度比普通光高千万倍，甚至亿万倍。太阳表面的亮度是蜡烛的30万倍，白炽灯的几百倍。而一台普通的激光器输出的亮度比太阳表面亮度高10亿倍。从地球照到月亮上再反射回来也不成问题。
第四，具有超强能量。激光可以在千分之几秒甚至更短的时间里，使一切难以熔化的物质熔解以至气化；也可以在百分之几毫米的范围内产生几百万度的高温、几百万个大气压、每厘米几千万伏的强电场。
基于这些特性，在具体应用方面，激光成为工业生产中一种高、精、尖的加工工具，可以用来加工各种硬、脆、韧的材料；打出有头发丝十分之一的微孔，进行高速、精密加工，可以进行切割、焊接和表处理等；在医学领域上，使用激光手术刀，可以进行细微的手术，既不流血也无痛感；在军事上，激光雷达可以精确地测量和跟踪目标。激光武器具有很大的杀伤力，可以用来截击敌人的飞机和导弹；激光还可以用于保密通讯和宇宙通讯，同时传送1000万套电视节目和1000亿路电话；激光电视、激光计算机、激光核聚变等各种新的激光装置和应用也正在研制中。
医：“量身医治”疾病
目前，激光在医学领域中得到了广泛的应用，包括皮肤医学、牙科、心脏病学、神经外科和眼科。其好处是可以不用对病人开刀即可做到高精密度的治疗。比如，激光用于眼科的治疗可以矫正视力，而这已经成为一种非常大众化的治疗方式。英国每年成功完成超过10万例激光治疗眼睛的手术，这个数字还在增长。同样，激光治疗还可用于祛除纹身和胎记。在此方面激光手术已经突破了藩篱，完全可以祛除纹身的颜料或是痕迹。
随着激光医学的发展，其在癌症治疗中的地位已被肯定，在一些癌症治疗上的应用已达20年之久。激光可切割肿瘤又具有止血作用，应用高功率聚焦激光直接辐照肿瘤，还能使癌组织迅速变为蒸气和雾，从而消除癌肿。在医学领域，科学家预测，未来基于激光治疗癌症，将会带来革命性的篇章，而且还可为各国的健康保险制度省去一大笔开支。
其中光动力学的治疗方法是采用一种药物使癌细胞对光非常敏感，当激光直射病灶区域，该药物即会积极反应而摧毁癌细胞。这种激光治疗方法大多用于皮肤癌，也用于脑癌的治疗。医生说，光动力学的治疗不像化学疗法，其优势一方面是不产生副作用；另一方面，放射线对病人不能多次照射，而激光可不止一次地使用。
在过去的五六年里，激光用于治疗癌症的技术有了非常大的改进，以至于现在许多不同的医院都能够采用，但是针对每一种形式的癌症还不适合对症治疗。目前，激光在肿瘤临床方面的应用主要限于体表肿瘤（如皮肤癌、阴茎癌等）及腔道内肿瘤（如食管癌、直肠癌等），在治疗内脏肿瘤方面尚在探索阶段。
展望未来，英国敦提大学生物影像部的主管哈里·莫斯利教授说，诊断学是一个令人兴奋的领域，其中激光扮演着挑大梁的角色。早期的诊断是我们通过激光照亮身体的某个地方来看其反应，分辨细微的变化来反馈病人体内是否有癌症状况，并通过分析改进和完善诊断。
英国格洛斯特郡皇家医院生物成像研究集团的尼克·斯通教授肯定了采用激光诊断方式的重要性。他说：“它将会带来与以往显著不同的效果，提供大量有关身体里不正常细胞的信息。我们可以利用激光做出快速诊断，这会为英国国民健康保险制度节省很多开销。还可以减轻病人的痛苦，不必再通过做什么活体组织的检查来找出是否有病变的征兆。”
同时，科学家通过激光造影技术获得了一个新视角来观察疾病是如何形成的，细胞又是如何阻击疾病的。科学家称，未来通过这项技术获得的知识将在临床上帮助医生根据个体所需来定制药物，这种个性化医疗可以保证有效的抵御个体癌症，而且副作用最小。
卢瑟福阿普尔顿实验室一直致力深入研究激光设备，该中心的凯瑟林·兰开斯特博士说：“激光是巨大的传感器。”目前她正倾心投入一项新的研发——激光镊子的研究。医学专家用这种由两束激光组成的特殊镊子，能够控制和移动在显微镜下的粒子，以便隔离一些个体细胞。兰开斯特博士说：“激光还可以提供一种加速粒子的廉价方式。”该技术有潜力减少常规加速器的大小。这种便携的机器可以为医疗提供许多应用，包括对于癌症的治疗。只要技术保持不断的发展，激光将会继续在未来的医学中扮演重要角色。
食：果蔬久藏不坏
沙藏、灰藏、窖藏……很久以前人们就开始研究食物的保鲜储藏方法，并为常温下的蔬菜保鲜绞尽脑汁。直到今天，化学熏蒸法、冷藏法、生物杀菌法乃至高压放电气体保鲜法等等应运而生，但始终没有哪个“法”能比得上激光辐射保鲜储藏法。
激光辐射保鲜储藏技术，也就是以高能射线与物质作用产生物理与生物效应的理论和技术为基础，使用γ射线、X射线和电子射线对食品进行照射，从而达到杀虫、灭菌、提高食品卫生质量，保持或改善食品的营养品质和原有风味，以及延长食品储藏期和销售期的目的。
例如粮食，全球收获的粮食由于受害虫、微生物危害，每年损失20％左右，我国近年来的损失率约18％。尽管已经广泛地应用了化学熏蒸技术，但这些化学农药始终无法彻底地杀死存在粮食表面或内部的各种病虫细菌。唯有使用射线辐射，才可望把它们灭绝而避免损失。
水果保鲜更是难上加难。水果之所以采摘后会很快腐烂，是由于果实所携带的细菌、霉菌、寄生虫作祟，而对付它们的最好办法也唯辐射效果最佳。这也是为什么在美国本土自然储藏的商品期只有3天—6天的草莓，如今竟能新新鲜鲜漫游全世界的奥秘了。
显然，激光轻而易举地解决了食品长久保鲜的问题。若蔬菜远距离运输，装运前用激光扫描一次就够了，途中十天八天仍新鲜如常。原理很简单，激光能量大时就抑制了蔬菜生长。反之，其能量适合蔬菜的生长条件即可催生，所以激光育种又推广开了。用激光照射种子能够引起作物的性状发生变异，可以提高农作物的产量。
辐射还能抑制根茎类作物的成熟发芽，这就使得那些需长期保存待来年作种子的薯类、洋葱等久藏不坏。连那些带皮食用的娇嫩浆果都可以借助辐射的神力而鲜藏，更不用说那些水产品、禽畜肉类、蔬菜、干杂山货了。辐射技术保鲜几乎囊括了人类的全部食品。
日本东海大学还开发出把半导体激光用于蔬菜栽培技术，提高了蔬菜的营养成分。新技术采用播放DVD所用的蓝色和红色激光，取代现在“植物工厂”里使用的钠光灯照射温室里栽培的蔬菜，两种激光的比例是10∶1。采用新技术后，蔬菜中维生素C含量能够增加10％。
过去酒的味道好坏一般都是由老资格的品酒师亲口评定。这种评酒方式既费时，鉴定酒的标准又不一定公正、客观。日前，美国物理学家培亚特发明了一种“品”酒的激光装置，它不但能品尝出酒的味道，而且还能测出酒的酿造时间。
培亚特是通过测量酒中离子的大小和数量而得出结论的。他用投射激光束穿透盛酒的试管，酒中离子散射的强弱和方向便在图像上显示出来。由于各种酒各有不同的漂浮离子，因而图像上构成独特的曲线。含有大离子的酒散射出大量的光并呈现出急剧升降的曲线，这种酒的味道是低劣的。好味道的酒显示出的曲线是平滑的，即酒中所含离子的大小是均匀的，因而酒味亦特别醇。
有人不禁要问：使用经辐射的食品安全吗？而40多年来的研究结果表明：一切在辐照强度数量级103—105拉德范围内进行辐射的食品，其安全性不容置疑。基于辐射鲜藏技术的优越性，联合国为此成立了国际辐射保藏食品研究计划署。如今，许多国家都以空前的热情研究、推广应用这一技术。
住：装潢美轮美奂
以往在建筑领域，激光只是作为一种测量和计测工具被广泛使用，然而事实上，激光在建材方面的加工技术还远远没有发挥其应有的作用,如对于板材、玻璃的制造加工，可令建筑的室内外装潢锦上添花。
英国华威大学工程学院的研究者近日发明一种用激光为中密度纤维板（MDF）饰面的方法，可以使其表面看起来具有一些极其昂贵树种的木纹。MDF是一种很好的、具有广泛用途的材料，易于加工且价格便宜。用激光在其上制造木纹不仅有助于给家用和商业用纤维板带来一种更自然的质量效果，同时可节省因必须使用真实薄木而产生的经济和环境方面的成本。该项技术还可应用在地板或其他需要考虑成本且外观效果也很重要的地方。用这种能表面饰面的新激光技术可模仿出大范围的真实木材纹理，制造标志和装饰物，甚至五颜六色、各种形状的装饰表面。
一块普通的玻璃，经过特殊的技术处理之后，能呈现出各种各样的影像，犹如童话故事里的魔镜，美轮美奂。这可不是异想天开，不久前，德国国家实验室研发出了HoloSign全息幻彩玻璃技术，赋予了原本普普通通的玻璃神奇的色彩，制作出一种叫做Cristail Line的全息透明屏。
其原理是通过计算机程序用激光束把艺术作品全息图照射在特定的照相膜上，经过显影处理后固定在HoloPro全息膜上，再将其夹在两层玻璃中间制成HoloSign玻璃屏。这样，在自然光或者灯光的照射下，这个艺术品即可通过HOE全息影像光元素衍射出高饱和色彩的图像。当光源或者观察者开始移动时，我们就会发现整件艺术品的颜色正在变化。这种色彩的变换，完全不需借助电源，在太阳光或灯光照射下，就可以反射出高饱和色彩的立体图像，而且在拥有绚丽色彩的同时还可以保持玻璃通透，不影响采光和人的透视效果，既起到了装饰的作用，又达到了环保节能的效果。使用这种材料，即使是在白天，我们也同样能看见五彩缤纷的建筑物。
全息术这个概念产生于1948年，当时，伦敦大学帝国理工学院博士、英籍匈牙利物理学家盖伯试图找到一种方法来提高电子显微镜的解析度，他由此提出了全息术的设想。第一张全息图同样出自盖伯之手，他用汞灯作为光源拍摄出首张全息照片。20世纪60年代初期，密歇根大学的两名研究员就成功制作出世界上第一组三维全息图像。
那么，到底什么是全息技术呢？全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现技术。其第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，完成拍摄，同时利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录在全息底片上，最后利用衍射原理再现物体光波信息。全息照片的景物立体感强，形象逼真，借助激光器可以在各种展览会上进行展示，会得到非常好的效果。
全息幻彩玻璃材料在英国、德国等城市的应用已非常广泛。除了城市建设，这种材料已经开始广泛应用于家庭装饰中。
如果说玻璃能够随着光线的变化而变幻色彩还算不上稀奇，那么在玻璃上看电影应该算得上是一件很酷的事情了。宝马、奔驰等知名汽车企业，甚至美国联邦政府都在抢购一种特殊的全息屏。初看，这种全息屏就是一块普通的透明玻璃，但一旦接收到投影机投射的光源以后，就立刻成为一块投影幕，成像效果自然、逼真。其成像的原理与前面的幻彩艺术屏一样，都是采用了全息技术。在美国，一款全息透明电视也已经诞生，这款电视机在关闭时，看起来就是一块普通的玻璃。
全息玻璃屏不仅可以用于建筑物及各种室内装潢和各种常见的家用显示设备，还可广泛应用于会议室、博物馆、电视台演播厅或家庭影院等场所。可以预见，在不久以后，我们的电视机、投影仪、计算机等显示设备，都可以借助全息技术的神奇力量，使之与我们的环境天衣无缝地融合在一起。
另外，在家居安全防范应用中，激光栅栏的低能耗高可靠性特点可以对家居所有门窗和围墙进行多层全封闭设防使用，形成纵深防范，真正达到御贼于外的目的。普通4光束24小时全天使用，按每户20个探头计算，能耗仅2瓦。而且由于性能稳定，可抗杂光干扰和同频干扰，无误报，比使用主动和被动红外对射产品更具综合优势。
行：激发清洁能源
世界在不断发展，人们的出行当然离不开能源。为了减少温室气体的排放，阻止全球变暖，各国科学家都在努力通过多种途径寻找清洁能源。
美国加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家计划用192束激光制造核能，相关实验近期已经启动。在十分之一秒时间里，强大的激光束所产生的冲击波将击溃燃料弹丸，产生约为1亿摄氏度的高温。在这样的极端条件下，氢原子将发生聚变，产生氦并释放大量能源。如获成功，这一通常只可能在恒星内部出现的反应将为一个取之不尽用之不竭的清洁能源时代拉开序幕。
如果说激光的诞生与爱因斯坦有着不解之缘，那么激光产生的聚变反应与爱因斯坦相对论之间的关系更是密不可分。爱因斯坦提出的质能方程揭示了质量与能量两者间的关系。裂变反应使得质量亏损并释放出巨大能量，原子弹因而诞生。此后，科学家将氢的同位素氘和氚在高温下聚合成氦核并释放出中子的过程称为“聚变”，核聚变的威力是核裂变的100万倍。当能源短缺成为各国共同面临的发展瓶颈，核聚变所产生的巨大能量令世界瞩目。
但是，聚变反应的条件极为苛刻，需要1亿摄氏度左右的高温，同时参与反应的粒子密度要足够高并能维持一定的反应时间。此时，激光聚变成为可供选择的两大技术路线之一，开创了可控热核聚变的新纪元。
通过高功率激光科研和激光核聚变研究，科学家将约百台光学设备集成在一个足球场大小的空间内，当8束强激光通过空间立体排布的放大链聚集到一个小小的燃料靶球时，在十亿分之一秒的超短瞬间内可发射出相当于全球电网电力总和数倍的强大功率和强大能量，从而释放出极端压力和高温，引发聚变反应。类似物理条件在自然界中只有在核爆炸中心、恒星内部或是黑洞边缘才能找到。
据专家介绍，核聚变是未来清洁能源的希望所在，估计到本世纪中叶，科学家可利用激光聚变技术，把海水中丰富的同位素氘、氚转化为巨大的取之不尽的能源。
显然，激光将为人类未来的医、食、住、行带来更加美好的景象，对此我们拭目以待。