光的本质
17世纪初，在天文学和解剖学等相关学科的推动下，并伴随着光学仪器的发明和制造，光学被卓越的科学探秘者开拓出了一块醒目的空间。到17世纪末，光学已经成为了物理学的一个重要分支，是物理学中应用最为广泛的一个部门。
关于光的本性问题，笛卡儿在他《方法论》中提出两种假说。一种假说认为，光是类似于微粒的一种物质；另一种假说认为，光是一种以“以太”为媒质的压力。他的这两种假说为后来的微粒说和动说的争论埋下了伏笔。
光的微粒说：17世纪的牛顿认为：光是由一组弹性小球般的机械微粒组成的粒子流，发光物体连续向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就会引起视觉，这就是光的微粒说。牛顿用微粒说解释了光的直进、反射和折射现象。
但是，微粒说并非“万能”，它也有一些无法解释的现象，比如：为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前行？为什么光线并不永远走直线，而可以绕过障碍物边缘拐弯传播？等等现象。
光的波动说：和牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯提出了与微粒说相对立的波动说。惠更斯认为，光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种叫“以太”的弹性媒质来传播的现象。波动说不但解释了几束光线在空间相遇不发生干扰而独立传播，还解释了光的反射和折射现象。但在解释折射现象时，惠更斯假设光在水中的速度小于在空气中的速度，这与牛顿的解释正好相反。
尽管波动说能够解释不少光学现象，但由于它也很不完善，解释不了人们最熟悉的光的直进和颜色的起源等问题。
19世纪中叶，由于精确测出光在水中的传播速度只有空气中速度的3/4，证明了波动说的正确性。波动说终于压过微粒说，取得了稳固的地位。
复兴的微粒说：19世纪末，实验证明，地球周围根本不存在机械以太。没有以太，光波和电磁波是怎样传播的呢？光电效应的发现，使微粒说再次扬眉吐气。
光电效应，是指金属在光的照射下从金属表面释放出电子的现象，所释放的电子称光电子。光电效应的发生只跟入射光的频率有关，只要入射光的频率足够高，无论其强度多弱，一旦照射到金属上，立刻就有光电子飞出。爱因斯坦运用光量子说--全新意义上的微粒说，将光电效应解释得清清楚楚。但是，爱因斯坦并未抛弃波动说，而是将两者巧妙结合，并辨证地指出：“光--同时又是波，又是粒子，是连续的，又是不连续的。自然界喜欢矛盾……”
激光和激光器
激光中文初译为“镭射”、“莱塞”，是其英文名LASER的音译，意为“通过受激发射光扩大”，它完全表达了制造激光的主要过程。
激光是20世纪以来继原子能、计算机、半导体后人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。
它的原理早在1916年已被爱因斯坦发现，但直到1958年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展。
激光亮度极高，激光器发出的激光集中在沿轴线方向的一个极小发射角内（仅0.1度左右），激光的亮度就会比同功率的普通光源高出几亿倍。再加上激光器能利用特殊技术，在瞬间辐射出巨大能量，当它会聚于一点时，可产生几百万度，甚至几千万度的高温；激光颜色最纯，激光是理想的单色光源。如氦氖气体激光器，它射出的波长宽度不到一百亿分之一微米，完全可以视为单一、无偏差的波长，是极纯的单色光。
激光定向发光，激光是方向最一致、最集中的光。如将激光束射向月球，它仅须花1秒钟左右就能到达月球表面，并仅在那里留下一个半径为2000米的光斑区。
激光相干性极好，激光也是一种相干光波，其波长、方向等都一致。常用相干长度来表示光的相干性，光源的相干长度越长，光的相干性越好。激光的相干长度可达几十千米。如将激光用于精密测量，它的最大可测长度比普通单色光大10万倍以上。
激光的产生：光是一种电磁波，具有波的特性。其可见光的波长极短，不到1微米，频率极高，以致人们无法感到它的波动。
光是原子、分子的运动产生的。改变分子和原子的能量状态，会产生光振荡。如：氢原子只有一个电子围绕原子核转。电子在靠近原子核的轨道上运转时，能量较小；在离原子核较远的轨道上运转时，能量较大。如把氢原子的一个电子激发到能量大的较远的轨道上，再把它退激回到原来轨道上，它便释放出一个光子，这就是发光。要使氢原子发光，可用电离法。
原子发光的先决条件是需要受外界能量的激发，几乎各种能量都可成为这种激发条件而转化成光能。
激光是原子、分子在一定方式激发下产生的受激辐射。梅曼实验室中，世界第一台激光器射出的深红色光束就是发自红宝石中的受激发原子。
激光机制：激光是一种特殊的电磁波。1905年，爱因斯坦在提出光量子假说：光是由许许多多光子组成的，不同颜色的光由不同能量的光子组成。1916年，爱因斯坦在《关于辐射的量子论》论文中提出，原子中的电子可以受“激”而放出光子。这种受激辐射的过程就是产生激光的基本物理原理。
受激辐射：原来处在高能级的原子，可在其他光子的刺激或感应下，跃迁到低能级，同时发射出一个同样能量的光子。由于这一过程是在外来光子的刺激下产生的，所以称为受激辐射。新产生的光子与外来光子具有完全相同的状态，即频率、波长、方向一样。
只要产生一次受激辐射，就能使一个光子变成两个光子，这两个光子又会引起其他原子产生受激辐射，于是，在瞬间内激发出无数光子，实际上就将光放大了。在这种情况下，只要辅以必要设备，就可以形成具有完全相同频率和相同方向的光子流，即为激光。放大光的设备，即为激光器。
激光器：激光器由发光物质（介质）、管状谐振腔和激光源三部分组成。许多物质都可产生激光，但不同物质产生的激光在物理性能上是不同的。激光器的工作方式，以发射出的激光持续时间长短可分为连续、脉冲、巨脉冲和超短脉冲四种。
1953年，美国物理学家汤斯研制成微波放大器。1960年9月，激光终于在美国年轻的物理学家梅曼手里诞生。梅曼的激光器中以一根人造红宝石作为发光物质，以强光作为激光源。红宝石是一种人造晶体。当梅曼用氙灯的闪光照射红宝石时，实验室里突然发射出一束深红色光，其亮度达到太阳表面亮度的4倍。这束耀眼的光束就是激光。
小知识
干涉波
当用手将池中的水激起水波，并使这些水波的波峰与波峰相叠时，水波的起伏就会加剧，这种现象就叫干涉，能产生干涉现象的波叫干涉波。
激光器种类
激光器的种类很多，根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：
气体激光器：在气体激光器中，最常见的是氦氖激光器。1960年，美国贝尔实验室制成世界上第一台氦氖激光器。氦氖激光器发出的光束方向性和单色性好，可连续工作，是当今使用最多的激光器，主要用于全息照相的精密测量、准直定位。
氩离子激光器是气体激光器的另一种典型代表。它可以发出鲜艳的蓝绿色光，可连续工作，输出功率达100多瓦，该激光器也是在可见光区域内输出功率最高的一种激光器。
由于人眼对蓝绿色的反应很灵敏，眼底视网膜上的血红素、叶黄素能吸收绿光，发出蓝绿色激光的氩离子激光器在眼科上用得最多。用氩离子激光器进行眼科手术时，能迅速形成局部加热，将视网膜上蛋白质变为凝胶状态，因此它也成为焊接视网膜的理想光源。
氩离子激光器发出的蓝绿色激光还能深入海水层，而不被海水吸收，因此可以广泛用于水下勘测作业。
液体激光器：称染料激光器，该类激光器的激活物质是某些有机染料溶解在乙醇、甲醇或水等液体中形成的溶液。为激发它们发射出激光，一般采用高速闪光灯作激光源，或由其他激光器发出极短的光脉冲。液体激光器发出的激光一般用于光谱分析、激光化学和其他科学研究。
化学激光器：化学激光器是用化学反应来产生激光的。如氟原子和氢原子发生化学反应，能生成处在激发状态的氟化氢分子。这样，当两种气体迅速混合后，就会产生激光，无需别的能量，就能直接从化学反应中获得强大的光能。
该类激光器较适于野外工作，或用于军事目的，令人畏惧的死光武器即是应用化学激光器的一项成果。
半导体激光器：用半导体制成的激光器，人称砷化镓半导体激光器，体积仅火柴盒大小，是一种微型激光器，输出波长为人眼看不见的红外线，在0.8～0.9微米之间。
由于该激光器体积小，结构简单，只要通以适当强度的电流就有激光射出，再加上输出波长在红外线光范围内，所以保密性特别强，适用于飞机、军舰和坦克。
固体激光器：红宝石激光器即是固体激光器的一种，早期的红宝石激光器采用普通光源作为激发源。激励的方式有多种，除了光激励外，还有放电激励、热激励和化学激励等。
固体激光器中常用的还有钇铝石榴石激光器，其工作物质是氧化铝和氧化钇合成的晶体，并掺有氧化钕。激光由晶体中的钕离子放出，是人眼看不见的红外光，可连续工作，也可以脉冲方式工作。
由于该种激光器输出功率较大，不仅适用于军事，也广泛用于工业。此外，钇铝石榴石激光器或液体激光器中的染料激光器对治疗白内障和青光眼很有效果。
“隐身”激光器：二氧化碳激光器，可称“隐身人”，它发出的激光波长为10.6微米，“身”处红外区，为肉眼不能觉察，其工作方式有连续、脉冲两种。连接方式产生的激光功率可达20千瓦以上。脉冲方式产生的波长10.6微米激光也是最强大的一种激光，人们用它可以“打”出原子核中的中子。
毫米波：采用放电或利用强大的二氧化碳激光作为激励源去激发氟甲烷、氨等气体分子，逐步将发射出来的激光波长延长、扩展。开始仅几十微米，后来达几百微米，也就是亚毫米波了。19世纪60年代中期到70年代中期，科学家根据激光的原理和方法产生了毫米波。这样，从光波到微波之间的空白地带便被不断发现的新红外激光填补了。
大气对毫米波的吸收率很小，阻碍它传播的影响也小，因此可用它作为新的大气通讯工具。
染料激光器：激光器能变色，只要转动一个激光器上的旋钮，就可以获得红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色的激光。
该种激光器的工作物质是染料，如碳花青、若丹明和香豆素等。这些染料与气体工作物质的气体原子、离子结构不同；气体产生的激光有明确波长；而染料产生的激光，波长范围较广（有多种色彩）。染料激光器的光学谐振腔中装有一个称为光栅的光学元件，通过它，可根据需要选择激光色彩。
染料激光器的激励源是光泵，可用脉冲氙灯，也可用氮分子激光器发出的激光。用一种颜色的激光作光泵，能产生其他颜色的激光，是染料激光器的特点之一。这种根据需要可随时改变产生激光的波长的激光器，主要用于光谱学研究。
激光武器
激光出现后，人类用光作武器从幻想变成了现实。由于激光的强度远大于太阳强度，于是人们就想到利用激光来制造武器。
死光：γ射线中的光子比可见光的光子能量要高出百万倍，它对人体的穿透力比X光要强得多。一旦制成γ射线激光器，它射出一束无形的强大γ射线光束照到人体上，就可以穿透人体的皮肤、肌肉，直达内脏，破坏肌体，致人死命，且不会落下痕迹。因此，把γ射线称为“死光”可谓不虚其名。
激光枪：最早的激光武器是激光枪，用的是红宝石激光器。小巧的激光枪外型和步枪差不多，重约12千克。激光枪射出的激光“子弹”能烧伤敌人的眼睛，使敌人的衣服起火。但是，只要罩一层白布在身上，就可使激光反射消散，激光枪也就失效了。
激光炮：一种庞大的功率激光器，它射出强大的激光束能准确击中目标。在国外，有人用功率达1.5万瓦的二氧化碳激光器产生的激光击落一架长4.5米、时速近500千米的遥控靶机，还用氟化氘激光摧毁一枚正在高速飞行的71A型反坦克导弹。
目前的激光炮，其设备效率较低，代价高，装置庞大，机动性差，在实战中不比常规武器更有效。
激光导弹：洲际导弹多数带有核弹头，飞行速度每秒5000米以上。其爆炸力强，破坏范围大，所以不能让它在本国土上起爆，要在离本国土尽可能远的地方拦截它。当敌方导弹发射后，先要发现它、监视它，并用计算机算出其运行轨迹，确定拦截方案，最后反射反洲际导弹对付它。整个过程需要很长时间，其中关键是发射反弹道导弹的速度要快，否则，敌方导弹已飞到本国土上空，再截击它为时已晚。光速每秒达30万千米，远快于导弹快，如能用激光作拦截武器，即可赢得时间--光武器可能是一种理想的反导弹武器。
小知识
治疗眼睛的激光技术
激光可以医治多种难治的眼病，其中最拿手的是视网膜凝结术及虹膜穿孔术。所以，激光眼科治疗机也称激光视网膜凝结器。
人眼的视网膜是感受外来光线的视经组织，它紧贴于眼底。一旦视网膜发生病变，出现裂孔，眼球内的玻璃体就会通过该孔进入视网膜下，使视网膜逐渐剥离，病人的视力渐渐减退，直到丧失视力。发病初期，如果将裂孔封闭，就可能使视网膜的损伤得到治疗，从而让视力恢复正常。
早期的视网膜凝结器采用能焊接金属的红宝石激光器。当然，要控制激光脉冲的能量，激光能量适中，光束射入眼内，聚焦在裂孔上，使裂孔周围的蛋白质变为凝胶状态，就能将裂孔封闭，达到了治疗目的。
虹膜穿孔术是用激光在虹膜上穿一个孔，可以减低眼压，用于治疗闭角型青光眼。青光眼是一种可能造成病人失明的眼病。不过，用红宝石激光做虹膜穿孔术时会引起虹膜出血，因此后来又改用氩离子激光器发射的蓝绿光来做穿孔术。由于微细血管吸收强的蓝绿光后会凝结，用蓝绿光做穿孔术可防止虹膜出血。现在，氩离子激光眼科治疗机已成为一种常用的眼科医疗设备。
激光手术刀
利用激光能量高度集中的特点，常用的二氧化碳激光“刀”，刀刃就是激光束聚集起来的焦点，焦点可小到0.1毫米，焦点上的功率密度达每平方厘米10万瓦。这样的光“刀”所到之处，无疑会有立竿见影的功效。
