治療近視的激光和掃描二維碼的激光，有什么區(qū)別？

2025-10-31 15:14

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

編者按： 2025年，距量子力學(xué)的誕生恰好過去100年。在這100年間，量子力學(xué)已成為現(xiàn)代科學(xué)的基石，也改變了我們的日常生活。本系列文章從身邊的常見事物出發(fā)，深入淺出地介紹量子力學(xué)的原理，以紀(jì)念這一偉大成果，并為更多好奇的人打開了解它的一扇窗。

我們的生活中似乎隨處可見“激光”這個詞：講ppt時圈圈畫畫的激光筆，掃描二維碼用的激光掃描器，激光脫毛儀、激光打印機(jī)、激光雕刻機(jī)、激光手術(shù)、激光美容、激光雷達(dá)……看到這里，你是不是都快不認(rèn)識“激光”這兩個字了？可是，你有沒有想過，提到激光的場景這么多，差別這么大，這些激光有沒有什么不一樣的地方呢？

當(dāng)然有了！不同的場合所使用的激光，都是人們根據(jù)需求，選擇的最合適的版本。想要知道這些激光的區(qū)別，首先讓我們了解一下激光究竟是什么吧！

01 激光是如何誕生的？

實際上，激光的誕生，就和量子論有著密不可分的關(guān)系。激光的英文名“LASER”，來自于它的英文全稱：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，即“通過受激輻射實現(xiàn)光的放大”。而這里的“受激輻射”，就是愛因斯坦在他1917年發(fā)表的論文《關(guān)于輻射的量子理論》中提出的。

在之前的文章中，我們已經(jīng)了解了普通的光線是怎么發(fā)的（參見《電子集體“跳水”，如何點亮世界？》），這樣的過程是電子自發(fā)的行為，我們將它稱之為“自發(fā)輻射”。而發(fā)出激光的過程卻不是這樣，它還需要一點額外的“動力”：一個外來的光子。

受激輻射示意圖來源：維基百科

我們已經(jīng)知道，在量子理論中，原子外電子的能級都是分立的，就好像一個個臺階，每個電子都只能在“跳下”臺階時，放出臺階之差那么多能量的光子來。如果有一個電子，正在一個臺階上“猶豫”要不要往下跳，而這時有一個外來的光子，恰好帶有這么多的能量，那么這個電子就能受到這個“路過”的光子的“刺激”，立刻跳下臺階，也放出一個光子。

這個新放出的光子，就好像原來那個光子的“克隆體”一樣，不僅波長一致，方向一致，它們的步調(diào)和振動方式也一致，對得整整齊齊。這就是一次受激輻射的過程，我們已經(jīng)成功把一個光子“克隆”成了它的兩倍。

那么，試想一下，如果我們在一個密閉的空間里，放上很多同樣的原子，然后把大量的電子都“踢”到臺階上面，做好發(fā)射的準(zhǔn)備。這時，只要有其中一個原子先發(fā)出了一個光子，那么，周圍其他站在臺階上的電子也會受到它的激發(fā)，發(fā)出和它相同的光子。

第一個光子就像“導(dǎo)火索”一樣，一個變兩個，兩個變四個，四個變八個……雪崩式的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)一觸即發(fā)，在極短的時間內(nèi)，就產(chǎn)生了數(shù)以億計的一模一樣的光子，形成了一個整齊劃一的“克隆光子軍團(tuán)”。

“一個變兩個，兩個變四個，四個變八個……”

受激輻射的光放大示意圖來源：快懂百科

當(dāng)這支高度有序、能量集中的光子大軍從激光器的一個小孔里發(fā)射出來時，就形成了我們所看到的激光。這，就是激光器產(chǎn)生激光的基本原理。

一個激光器的工作流程來源：NIF

02 我們?nèi)绾蚊枋鲆皇す猓?/strong>

想要描述不同激光之間的區(qū)別，我們還要了解它都有哪些特征和屬性。就像如果我們要介紹一個人，我們或許會提起ta的年齡、性別、來自的地區(qū)、職業(yè)等等。那么，我們應(yīng)該從哪些方面介紹一束激光呢？

首先，不同的激光都有屬于自己的波長，這決定了它們獨特的“顏色”。例如，綠色激光筆的激光波長約為532 納米，而常見的紅色激光筆的波長則在650納米左右。當(dāng)然，波長是一個比顏色更普適的屬性，因為更多種類的激光波長是在可見光波段（即380納米到750納米）之外的，它們就沒有顏色。

電磁波譜。其中可見光的部分，不同的波長就對應(yīng)著不同的顏色。
來源：維基百科
然后，我們還需要知道這一束激光“力道”的大小，這就是激光的功率。功率衡量一束激光每秒鐘傳輸?shù)哪芰慷嗌?，單位用瓦特（W）或者毫瓦（mW）來表示。功率不同，激光的用途也大有不同，比如，高功率激光可以用于切割和焊接，而低功率激光則可以用于信息讀取或瞄準(zhǔn)。
激光還有兩種不同的工作模式——連續(xù)模式和脈沖模式。顧名思義，連續(xù)模式的激光是持續(xù)不斷地輸出的，而脈沖模式的激光則是以一個個光脈沖的形式分立輸出。對于脈沖模式的激光，我們還要了解它的脈寬，也就是每一個脈沖持續(xù)的時間長度，還有脈沖輸出的頻率，和每一個脈沖的峰值功率。
連續(xù)激光與脈沖激光，輸出功率與時間的關(guān)系對比圖
來源：光學(xué)課堂
這兩個模式的區(qū)別也很重要。連續(xù)模式的激光適合需要穩(wěn)定熱源的應(yīng)用，比如焊接。而超短脈沖激光可以將巨大能量在極短時間內(nèi)作用于材料，產(chǎn)生“冷加工”效果，避免熱損傷，適合精細(xì)微加工和眼科手術(shù)。
當(dāng)然，激光的特性還不止這些，還有光束模式、偏振態(tài)、相干性……更復(fù)雜的區(qū)別，在特定的應(yīng)用中，它們也有需要特定的選擇。不過，在這里由于篇幅原因，就不再繼續(xù)展開了?，F(xiàn)在，有了以上的準(zhǔn)備，我們就來分門別類地來看一看，在人類生活的各個領(lǐng)域，用到的激光都有哪些不同吧！
醫(yī)療：精準(zhǔn)入微，溫柔療愈的“手術(shù)刀”
使用場景：近視手術(shù)、腫瘤治療、碎石術(shù)、美容等
關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)、安全
醫(yī)用激光的追求，是在不損傷周圍健康組織的前提下，對病灶進(jìn)行極其精細(xì)和安全的操作。
它對波長的選擇極為苛刻，需要根據(jù)用途設(shè)定合適的波長。例如，準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的紫外激光以其“冷”加工的特性成為了近視手術(shù)的完美選擇；而二氧化碳激光器發(fā)出的遠(yuǎn)紅外激光能被水分子強(qiáng)烈吸收，因此常被用作“激光刀”進(jìn)行組織的切割和汽化。
盡管激光的功率大小跨度很大，但必須精確可控。
在工作模式方面，皮秒、飛秒級的“超短脈沖”是醫(yī)用激光的明星技術(shù)。你是不是曾聽說過“飛秒激光”手術(shù)這樣的詞？這里的“飛秒”指的就是一個激光脈沖持續(xù)的時間，到達(dá)了一秒的1000萬億分之一！
來源：vision eye institute
工業(yè)：高能強(qiáng)光，暴力美學(xué)的“雕刻刀”
使用場景：激光切割、焊接、激光雕刻等
關(guān)鍵詞：力量、效率
在工業(yè)領(lǐng)域，激光要扮演一個“大力士”，用巨大的能量和極高的效率對材料進(jìn)行加工。
對于波長的選擇，完全由它們需要加工的材料所決定。要切割金屬，就選擇金屬最容易吸收的近紅外波段；要切割亞克力或木材，就選擇它們最容易吸收的遠(yuǎn)紅外波段。
工業(yè)激光的功率則是它的一個“硬”指標(biāo)。想要切割厚重的鋼板，必須要數(shù)千瓦的功率才能做到，這使得它成為了激光領(lǐng)域“暴力美學(xué)”的代表。在切割和焊接時，激光模式也通常使用連續(xù)模式，就像一把開著的水龍頭，源源不斷地輸出能量。
激光切割的亞克力片來源：Epilog Laser
通信：高速飛馳，穩(wěn)定可靠的“信號燈”
使用場景：光纖傳輸
關(guān)鍵詞：速度、穩(wěn)定
在通信領(lǐng)域中，激光則是一個優(yōu)秀的“信使”，它的使命是在光纖中長距離、低損耗、超高速地傳輸信息。
為了最大可能地降低能耗，激光的波長必須選在石英光纖損耗最小的范圍內(nèi)，目前最常用的有850納米、1310納米和1550納米。激光的功率也很低，通常在毫瓦級別。功率過高不僅浪費(fèi)，還有可能干擾信號。這就像是一個優(yōu)秀信使的職責(zé)：不需要“力氣大”，但必須“跑得快、說得清”。
通信用的激光本質(zhì)上是連續(xù)激光，但它會通過調(diào)制器迅速地開開關(guān)關(guān)，形成代表著“0”和“1”的信號。
在一條聚甲基丙烯酸甲酯棒內(nèi)
一束激光反復(fù)彈跳之余沿棒方向傳播
這就是激光在光纖中傳輸?shù)脑?/p>
來源：維基百科
日常：小巧便捷，無處不在的“多面手”
使用場景：條碼掃描儀、激光筆等
關(guān)鍵詞：安全、成本
我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ娂す獾脑O(shè)計目標(biāo)則是在保證絕對安全的前提下，以低廉的成本實現(xiàn)特定的功能。
對于波長的選擇，通常選擇低成本且符合安全規(guī)范的波段。比如激光筆常用的600多納米紅色激光，不僅是人眼可見的顏色，而且這種顏色的半導(dǎo)體激光器成本更低。紅色激光的功率也非常小，通常在毫瓦以下，為的是嚴(yán)格保證它的安全性，避免對人眼造成傷害。這些激光的工作模式通常是普通的連續(xù)模式，就像我們看到的那樣，穩(wěn)穩(wěn)地輸出一個彩色的光斑。
來源：Jordan Allred / The Spectrum & Daily News
看完這些激光的應(yīng)用，是不是解決了你的一些疑惑呢？治療近視的激光和工業(yè)切割的激光，以及生活中各種不同領(lǐng)域所用到的激光，確實都有很大的不同。但在這些巨大的不同背后，卻又有著相同的原理——受激輻射。或許這就是“世上沒什么是一成不變的，但又要學(xué)會以不變應(yīng)萬變”的一種體現(xiàn)吧！
作者：張一凡
審核專家：魏紅祥中國科學(xué)院物理研究所研究員
本文來源科普新媒體平臺“蝌蚪五線譜”，已經(jīng)授權(quán)發(fā)布