第12章當代物理前沿

本章要點：1、超導(dǎo)材料、納米材料、光導(dǎo)纖維的性質(zhì)及應(yīng)用；

2、聲學的基本理論及應(yīng)用；3、激光原理及激光技術(shù)的應(yīng)用；4、原子能及其和平利用。現(xiàn)代物理學的內(nèi)容是極其廣泛的，其空間尺度從亞核粒子到浩瀚的宇宙，其包含的時間從宇宙誕生到無盡的未來。物理學取得的成就是極為輝煌的，它本身以及它對各個自然學科、工程技術(shù)部門的相互作用深刻地影響著人類對自然的基本認識和人類的社會生活。今天的物理學是一門充滿生機和活力的科學，它對當代以及未來的高新科技的進步和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的建立和發(fā)展提供了巨大的推動力。而且，近三四十年來的一些物理學研究的重要成果在現(xiàn)代科技中已屬于非常基本的內(nèi)容，了解這些內(nèi)容已成為培養(yǎng)21世紀人才的基本科學素養(yǎng)的一部分。本章僅就超導(dǎo)、納米、光纖、聲學、激光、原子能六個當代物理前沿專題作一介紹，以拓展同學們的知識面與視野。12.1超導(dǎo)電性我們知道，自由電子沿某一特定方向運動就在物體中形成了電流。但導(dǎo)體有電阻，電阻存在，使一部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軗p耗掉了。人們曾有一個夢想：找到?jīng)]有電阻的導(dǎo)體材料，則電流經(jīng)過時不受阻力，沒有熱損耗，那就具有很高的應(yīng)用價值。這一夢想于1911年由荷蘭科學家卡末林—昂納斯(H.K.Onnes,1853-1926)發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)現(xiàn)象而實現(xiàn)！超導(dǎo)電性是在人類發(fā)展低溫技術(shù)并不斷地在新的溫度范圍里研究物質(zhì)的物理性質(zhì)的過程中發(fā)現(xiàn)的。19世紀末，低溫技術(shù)獲得了顯著的進展。1877年氧氣被首先液化，液化溫度90K，隨后人們又液化了液化溫度是77K的氮氣。1898年杜瓦(J．Dewar)第一次把氫氣變成液氫，液化溫度為20K，他發(fā)明了以他的名字命名的杜瓦瓶。1906年，卡末林—昂納斯液化了最后一個“永久氣體”——氦氣，獲得4K的低溫，這是當時所能達到的最低溫度，為在極低溫條件下探索各種物質(zhì)的物理性質(zhì)創(chuàng)造了必要條件，當然也為三年后卡末林—昂納斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性奠定了實驗基礎(chǔ)。圖12—1就是超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)者卡末林—昂納斯。圖12-1超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)者卡末林.昂納斯12.1.1超導(dǎo)體的基本性質(zhì)零電阻效應(yīng)隨著低溫技術(shù)的進展，1911年卡末林—昂納斯決定研究一下在他們所達到的新低溫區(qū)——液氦溫區(qū)內(nèi)金屬電阻的變化規(guī)律。他選擇了汞，想知道它在盡可能低的溫度下其電阻的變化行為。他發(fā)現(xiàn)：當溫度降低時，汞電阻先是平緩地減小，但出人意料的是在4.2K附近電阻突然降為零。圖12—2是汞的電阻隨溫度的變化關(guān)系。（縱坐標是該溫度下汞電阻與0０C時電阻的比值。）圖12-2汞的零電阻效應(yīng)卡末林—昂納斯指出：在4.2K以下汞進入了一個新的物態(tài)，在這新物態(tài)中汞的電阻實際變?yōu)榱恪Ｋ堰@種電阻突然降為零而顯示出具有超傳導(dǎo)電性的物質(zhì)狀態(tài)定名為超導(dǎo)態(tài)。而把電阻發(fā)生突變的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度或超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，用表示。此后，他們又發(fā)現(xiàn)了其它許多金屬有超導(dǎo)電性。如1913年發(fā)現(xiàn)了錫在3.69K時，也有零電阻現(xiàn)象。2.完全抗磁性1933年，德國物理學家邁斯納（W.Meissner）和奧森菲爾德（R.Ochsenfeld）對錫單晶球超導(dǎo)體做磁場分布測量時發(fā)現(xiàn)：當置于磁場中的導(dǎo)體通過冷卻過渡到超導(dǎo)體時，原來進入此導(dǎo)體中的磁力線會一下子被完全排斥到超導(dǎo)體之外，如圖12-3所示，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強度變?yōu)榱悖@表明超導(dǎo)體是完全抗磁體，超導(dǎo)體的這種現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)圖12-3邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)和零電阻效應(yīng)是超導(dǎo)體的兩個獨立的基本屬性，衡量一種材料是否有超導(dǎo)電性，必須看是否同時有零電阻和邁斯納效應(yīng)。3存在臨界磁場前面我們已經(jīng)知道了當溫度高于臨界溫度時，超導(dǎo)態(tài)被破壞而變成正常態(tài)，即有電阻的狀態(tài)。通過實驗還發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)電性也可以被外加磁場所破壞。在低于的任一溫度下，當外加磁場強度小于某一臨界值時，超導(dǎo)電性可以保持；當外磁場超過某一數(shù)值的時候，超導(dǎo)電性會被突然破壞而轉(zhuǎn)變成正常態(tài)。我們將稱作臨界磁場。實驗表明：對一定的超導(dǎo)體，臨界磁場是溫度的函數(shù)，達到臨界溫度了時，臨界磁場為零。4.存在臨界電流實驗還表明，如果在不加磁場的情況下．在超導(dǎo)體中通過足夠強的電流也將會破壞超導(dǎo)電性，為破壞超導(dǎo)電性所需要的電流稱作臨界電流。在臨界溫度下，臨界電流為零。5.同位素效應(yīng)超導(dǎo)體的臨界溫度與其同位素質(zhì)量有關(guān)。越大，越低，這稱為同位素效應(yīng)。與有近似關(guān)系：=常數(shù)。12.1.2高溫超導(dǎo)體所謂高溫超導(dǎo)體是相對傳統(tǒng)超導(dǎo)體而言的。傳統(tǒng)超導(dǎo)體必須在液氦溫度4．2K下工作，而銅氧化物超導(dǎo)體是可以在液氮溫度77K下工作的，通常稱之為高溫超導(dǎo)體。由于傳統(tǒng)超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度很低，這給超導(dǎo)的應(yīng)用帶來了極大的困難。如何提高材料的Tc以及尋求高Tc材料的超導(dǎo)體，自從超導(dǎo)電性被發(fā)現(xiàn)以來，一直是科學家們的研究課題。

1986年以前，人們發(fā)現(xiàn)周期表中相當一部分元素在各種不同的條件下出現(xiàn)超導(dǎo)電性，超導(dǎo)體種類繁多。40年代初，人們發(fā)現(xiàn)了第一個轉(zhuǎn)變溫度較高的超導(dǎo)體氮化鈮NbN，其Tc＝15K。50年代以后，又發(fā)現(xiàn)了多種高臨界溫度超導(dǎo)材料，如V3Si、Nb3Ge等,此間超導(dǎo)臨界溫度紀錄一直在緩慢地提高。直到1973年，在Nb3Ge薄膜中得到了23.2K的最高臨界轉(zhuǎn)變溫度紀錄。此后該紀錄再未被打破，一直到1986年柏諾茲(J.G.Bednorz，1950-)和繆勒(K.A.Muller,1927-)首次發(fā)現(xiàn)LaBaCuO(鑭鋇銅氧化物)陶瓷材料中存在35K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，為超導(dǎo)體的研究開辟了嶄新的道路，將超導(dǎo)體從金屬、合金和化合物擴展到氧化物陶瓷。陶瓷材料在常溫下一般是絕緣體，在低溫下一下子變成了超導(dǎo)體，大大出乎人們的意料，改變了從金屬和合金中尋找超導(dǎo)材料的傳統(tǒng)想法。中國科學院物理研究所、美國休斯敦大學和日本東京大學的科學工作者重復(fù)了Bednorz和Muller的結(jié)果，并用Sr置換Ba，將提高到40～50K。1987年，中國科學院宣布，由趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的科研組已將釔鋇銅氧化物（YBaCuO）的提高到92.8K以上，從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫區(qū)的突破。雖然新型超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度還遠沒有達到室溫，但在液氮溫區(qū)實現(xiàn)超導(dǎo)也是極大的飛躍。由于液氮與液氦相比，價格便宜100倍，冷卻效率高63倍，且氮十分安全，故大大擴展了超導(dǎo)的應(yīng)用前景，使沉悶了半個多世紀的超導(dǎo)界一下子變得氣氛活躍起來。為此，柏諾茲和繆勒共同獲得諾貝爾物理學獎。12.1.3BCS理論

超導(dǎo)電性量子理論是巴丁(J.Bardeen)、庫柏(L.K.Cooper)和施瑞弗(J.R.Schrieffer)在1957年提出的,被稱為Bcs超導(dǎo)微觀理論。按照此理論，在超導(dǎo)體中兩個自旋相反以及動量大小相等、方向相反的電子對之間有很強的關(guān)聯(lián)作用（吸引作用），且勝過電子間的排斥，使兩個電子結(jié)成對（稱為庫柏對）。在超導(dǎo)體中導(dǎo)電的不是自由電子，而是庫柏對。該理論成功地指明了電子通過交換虛聲子形成庫柏對，定性地描述了能隙、熱學和電磁性質(zhì)。當考慮被絕緣體隔開的兩個超導(dǎo)體，即超導(dǎo)體——絕緣體——超導(dǎo)體，絕緣體通常對于從一種超導(dǎo)體流向另一超導(dǎo)體的傳導(dǎo)電子起阻擋層的作用。若阻擋層足夠薄，則由于隧道效應(yīng)，電子具有相當大的概率穿越絕緣層。當超導(dǎo)隧道結(jié)的絕緣層厚度只有10埃左右時，將發(fā)生一種奇異的約瑟夫森隧道電流效應(yīng)，即庫柏電子隧道效應(yīng)，電子對穿過勢壘時仍保持著配對狀態(tài)。12.1.4超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)態(tài)是物質(zhì)的—種獨特的狀態(tài)，它的新奇特性，立刻使人想到要將它們應(yīng)用到技術(shù)上去。開展應(yīng)用問題的研究可以追溯到本世紀二十年代，人們對超導(dǎo)應(yīng)用的熱情總是比研究超導(dǎo)機理更高。超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)顯示其具有無損耗輸運電流的性質(zhì)，因而在工業(yè)、國防、科學研究的大工程上有著廣泛的應(yīng)用。大功率的發(fā)電機、電動機如能實現(xiàn)超導(dǎo)化，將大大降低能耗并使其小型化；如將超導(dǎo)體應(yīng)用于潛艇的動力系統(tǒng)，可以大大提高它的隱蔽性和作戰(zhàn)能力；在交通運輸方面，負載能力強、速度快的超導(dǎo)懸浮列車和超導(dǎo)船的應(yīng)用，都依賴于磁場強、體積小、重量輕的超導(dǎo)磁體。此外，超導(dǎo)體在電力、交通、國防、地質(zhì)探礦和科學研究(回旋加速器、受控熱核反應(yīng)裝置)中都有很多應(yīng)用。1.超導(dǎo)材料在強電方面的應(yīng)用在超導(dǎo)電性被發(fā)現(xiàn)后首先應(yīng)用于制作導(dǎo)線，目前最常用的制造超導(dǎo)導(dǎo)線的材料是傳統(tǒng)超導(dǎo)體Nb—Ti(鈮鈦合金)與Nb3Sn合金，現(xiàn)在已能大規(guī)模生產(chǎn)。在lT的強磁場下，輸運電流密度達103A／mm3以上。而截面積為1mm2的普通導(dǎo)線為了避免融化，電流不能超過1A一2A。超導(dǎo)線圈已用于制造發(fā)電機和電動機線圈、高速列車上的磁懸浮線圈、輪船和潛艇的磁流體和電磁推進系統(tǒng)，以及用于高能物理受控熱核反應(yīng)和凝聚態(tài)物理研究的強場磁體，這些物理研究需要很強的磁場，這樣的磁場可由超導(dǎo)磁體提供，一些特殊的設(shè)備如果沒有超導(dǎo)磁體就不能使用。中國科學院合肥等離子體研究所已建造了使用超導(dǎo)磁體的用于研究受控熱核反應(yīng)的托卡馬克裝置HT—7，見圖12-4。

目前，應(yīng)用超導(dǎo)體產(chǎn)生的強磁場，已研制出磁懸浮列車。列車運行時，超導(dǎo)磁體在地面環(huán)中產(chǎn)生強大感應(yīng)電流，由于超導(dǎo)體磁場與環(huán)中感應(yīng)電流相互作用，使車輛懸浮起來，因而車輛不受地面阻力影響，可實現(xiàn)高速運行，車速高達500公里/小時。若使超導(dǎo)磁懸浮列車在真空隧道中運行，完全消除空氣阻力影響，車速可提高到1600公里/小時。圖12-4托卡馬克裝置2.超導(dǎo)材料在弱電方面的應(yīng)用根據(jù)交流約瑟夫森效應(yīng)，利用約瑟夫森結(jié)可以得到電壓的精確值。它把電壓基準提高了兩個數(shù)量級以上，并已被確定為國際基準。約瑟夫森效應(yīng)的另一個基本應(yīng)用是超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)。用SQUID為基本元件可制作磁強計、磁場梯度計、檢流計、伏特計、溫度計、重力儀及射頻衰減儀等裝置，具有靈敏度高、噪聲低、響應(yīng)快、損耗小等特點。約瑟夫森結(jié)還有在計算應(yīng)用上的巨大潛力，它的開關(guān)速度可達10-12s，比半導(dǎo)體元件快1000倍左右，而功耗僅為微瓦級，比半導(dǎo)體元件小1000倍。超導(dǎo)芯片制成的超導(dǎo)計算機，速度快、容量大、體積小、功耗低。3.高溫超導(dǎo)體的應(yīng)用從原則上說，高溫超導(dǎo)器件可比傳統(tǒng)超導(dǎo)器件在更高的溫度下工作，高溫超導(dǎo)體的特有性質(zhì)可用于研制未知的新器件。由鉍、鍶、鈣、銅和氧構(gòu)成的高溫超導(dǎo)材料已制成超導(dǎo)導(dǎo)線，比常規(guī)銅線運載電流大100倍。我國第一根鉍系高溫超導(dǎo)輸電電纜于1998年研制成功，運載電流達到1200安培。利用濺射、脈沖激光沉積、金屬有機化學沉積等技術(shù)已能制備高質(zhì)量的YBCuO(億鋇銅氧化物超導(dǎo)體)薄膜和高溫超導(dǎo)多層膜，薄膜技術(shù)的發(fā)展為高溫超導(dǎo)電子學器件的研制提供了先決條件。這種薄膜特別適用于蜂窩電話基地電臺的濾波器，經(jīng)其過濾的信號保持原來強度而提高了信噪比，而常規(guī)的銅濾波器使信號強度降低，難以與噪音區(qū)別。1996年，這種薄膜進入市場。由于高溫超導(dǎo)體具有較低的表面電阻和較高的工作溫度，高溫超導(dǎo)無源微波器件的研制獲得了巨大的成功。例如濾波器，諧振器，延遲線等，這些器件可望在今后幾年里變?yōu)樯唐访媸校瑸槿蛲ㄓ嵎?wù)。綜上所述，我們看到在人類的生活中已得到了超導(dǎo)電技術(shù)帶來的諸多好處，我們還將看到超導(dǎo)電技術(shù)會越來越廣泛地造福于人類。如解決人類未來能源的基本技術(shù)是受控熱核反應(yīng)，而實現(xiàn)這一點必須使用無損耗的超導(dǎo)磁體。因此人類的未來離不開超導(dǎo)電技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。12.2納米技術(shù)在當代，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，材料和器件的微型化成為一個重要的發(fā)展方向，這樣在從宏觀走向微觀的過程中，出現(xiàn)了介于宏觀與微觀之間的納米層次。它要在納米尺度空間內(nèi)，研究電子、原子和分子的特性及運動規(guī)律，從而實現(xiàn)人類按自己的意志直接操縱單個原子，重新認識和改造客觀世界，這確實是讓人激動的事情。納米科學是目前最核心和前沿的科學，納米材料被譽為跨世紀的材料。12.2.1納米材料納米是nanometer的譯名，用nm(1nm=10-9m)表示。納米尺度為0.1~100nm，比原子尺寸略大（約為幾十個原子排列起來那么長），大約相當于一根頭發(fā)絲直徑的萬分之一。納米材料是指幾何尺寸為納米量級的微粒或由納米大小的微粒在一定條件下加壓成型得到的固體材料。故納米材料又稱超微顆粒材料，其顆粒的大小范圍為0.1～100納米，約為原子半徑的1～103倍。1.超微顆粒的奇異特性把宏觀的大塊物體細分為超微顆粒后，將顯示出許多奇異的特性，在光學、熱學、電磁學、力學及化學等方面的性質(zhì)與大塊物體相比有很大的差別。當顆粒尺寸達到納米數(shù)量級的小顆粒在保持新鮮表面的情況下壓制成塊狀固體或沉積成膜時，會產(chǎn)生許多異常的物理現(xiàn)象。這些奇異性質(zhì)的產(chǎn)生主要來自于小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子效應(yīng)（1）．小尺寸效應(yīng)當顆粒的尺寸小于可見光波波長時，對光的反射率低于1％，于是均失去原來的光彩而呈黑色。又如磁性顆粒在小到一定的尺寸時，會喪失磁性。（2）．表面效應(yīng)球形顆粒的表面積與半徑的平方成正比，其體積與半徑的立方成正比，故表面積與體積之比與半徑成反比，顆粒半徑越小，這比值越大。例如一個邊長為1米的立方體，它的表面積為6平方米，若將此立方體切割成邊長為1毫米的立方體，再按原樣堆成邊長為1米的立方體，此時體積沒變，但切割后各小立方體的表面積之和為6000平方米，比原來增大1000倍。表面積增大，活性就增強，因此超微粉末很容易燃燒和爆炸。另外，表面積增大，表面原子占總原子數(shù)的百分數(shù)將會顯著地增加。（3）．量子效應(yīng)量子力學已成功地揭示了原子能級結(jié)構(gòu)，由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時，由于原子間的相互作用使單獨原子的價電子能級合并成能帶，能帶理論闡明了宏觀的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體之間的區(qū)別。對介于原子、分子和大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶變窄，逐漸還原為分立的能級，能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當溫度較低時，原子分子的熱運動能以及電場能或者磁場能比平均的能級間距還要小時，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，這就是量子效應(yīng)。例如，在低溫條件下，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體，比熱可出現(xiàn)反常變化，光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的移動等。2．納米材料的類型（1）．顆粒型隨著社會的信息化，信息儲存量大、信息處理速度高，要求錄音帶錄像帶和磁盤等磁性記錄介質(zhì)的記錄密度日益提高，促使磁記錄用的磁性顆粒尺寸趨于超微化。目前用20納米左右的超微磁性顆粒制成的金屬磁帶，磁盤已開始商業(yè)化。具有記錄密度高，低噪音的特點。（2）．納米固體材料納米固體材料是指由超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。這種材料具有巨大的顆粒間界面，從而使得納米材料具有高韌性。（3）．顆粒膜材料顆粒膜材料是將某種顆粒嵌于不同材料的薄膜中所生成的復(fù)合薄膜。通過改變兩種組分的比例以及改變顆粒膜中的顆粒大小與形態(tài)，可控制膜的特性。12.2.2納米加工與原子操縱納米技術(shù)的創(chuàng)始人是物理學家、諾貝爾獎獲得者理查得.費思曼，他大膽提出“用原子搭積木”的想法，設(shè)想在原子和分子水平上操縱和控制物質(zhì)。他的設(shè)想包括以下幾點：如何將大英百科全書的內(nèi)容記錄到一個大頭針頭部那么小的地方；計算機如何微型化；重新排列原子，若有朝一日能按自己的主觀意愿排列原子，世界將會發(fā)生什么？在納米尺度上的原子與在體塊材料中的原子的行為表現(xiàn)有什么不同？即有些什么新穎的性質(zhì)以及千奇百怪的效應(yīng)？其關(guān)鍵點在于如何操縱原子、分子。1.移動原子移動原子的工具是掃描隧道顯微鏡STM，它是一種新型的表面分析工具，是根據(jù)量子力學的隧道貫穿效應(yīng)制成的。它實際上就是一個由電子計算機操縱控制的長探針，探針一頭很細，只有幾個原子的厚度。利用探針和材料平面間的電流，可逐個地把原子吸起來并放置到其他地方。下面，以STM移動氙原子的過程為例。用STM針尖移動吸附在金屬表面上的氙（Xe）原子。當針尖距氙原子較遠時，不產(chǎn)生影響。當把針尖向氙原子逼近到相距約0.3納米時，在針尖與原子之間產(chǎn)生一個吸引力，其大小約等于原子與金屬基底之間的吸附力，但又不足以使氙原子脫離基底表面而吸附到STM針尖上。這時，移動針尖，就會拖著氙原子在表面滑動。滑動到預(yù)定的位置后，再把針尖移離氙原子，氙原子就留在了預(yù)定的位置,這樣可使原子按我們設(shè)想方案重新進行排布。通過掃描隧道顯微鏡操縱氙原子用35個原子排出的“IBM”字樣，如圖12-5所示。2.納米加工利用STM可人為地制造出某些表面現(xiàn)象，進行表面刻蝕及修飾工作。利用計算機控制STM的針尖，在某些特定部位加大隧道電流或使針尖尖端直接接觸到表面，使針尖作有規(guī)律的移動，就會刻出有規(guī)律的痕跡，形成有意義的圖形或文字。圖12-6所示的是用納米加工的五環(huán)圖案。因此，STM對于研究高密度信息儲存技術(shù)，具有重要意義。原子尺度的操縱技術(shù)在高密度信息存儲、納米級電子器件、新型材料的組成和物種再造等方面，將有非常重要和廣泛的應(yīng)用前景，它是公認的21世紀高新技術(shù)。圖12-5用原子排出的IBM12-6用納米加工的五環(huán)

3．單分子操縱當前，單原子操縱移位技術(shù)進一步發(fā)展為單個分子的探測、操操縱和人工合成新分子等技術(shù)，它遠比單原子操縱復(fù)雜。1991年IBM公司的

“拼字”科研小組創(chuàng)造出了“分子繪畫”藝術(shù)。這是他們利用STM把一氧化碳分子豎立在鉑表面上，構(gòu)成分子間距約0.5納米的“分子人”。這個“分子人”從頭到腳只有5納米，堪稱世界上最小的人形圖案。目前科學家從操縱小分子擴展至大分子乃至生物大分子。在分子世界里，人們首先關(guān)注的是決定人類遺傳性狀的大分子DNA。第一張DNA分子的STM圖像于1989年問世。1990年，中科院上海研究所與上海細胞生物學研究所及前蘇聯(lián)科學院分子生物學研究所合作，首次獲得了一種新的DNA構(gòu)型—平行雙鏈DNA的STM圖像。

圖12-7“分子人”12.2.3C60與碳納米管1．舉世矚目的C60過去一直相信自然界中只存在兩種碳的同素異形體：金剛石和石墨。然而，1985年柯爾（R.F.Curl,1933-）斯莫利（R.E.Smalley，1943－）和克羅托（H.W.Kroto，1939－）發(fā)現(xiàn)了碳的第三種穩(wěn)定的同素異形體，這就是C60。它的正式名稱是巴基敏斯特富勒烯，簡稱巴基球或足球烯。其結(jié)構(gòu)如圖12-８所示。C60分子是由60個碳原子組成的籠狀大分子，其分子直徑約0.17納米；其結(jié)構(gòu)是由12個正五邊形（邊長稱為長鍵，為0.146納米）和20個六邊形（其中短鍵長為0.139納米）組成的32面體，共有60個頂角，每個頂角上占據(jù)一個碳原子，C60分子模型正好是一個足球。這種封閉型的C60分子，本身的化學鍵已經(jīng)飽和，沒有空鍵，所以由C60分子構(gòu)成的固體就不需要其他原子（如氫）來填補其表面的化學鍵，是純碳結(jié)構(gòu)。C60晶體不導(dǎo)電，是一種新型的半導(dǎo)體材料。C60可以承受各向同性的靜態(tài)壓力達20萬個大氣壓。C60超導(dǎo)體是現(xiàn)在所有的有機物超導(dǎo)體中轉(zhuǎn)變溫度最高的，具有較大的臨界電流、臨界磁場。摻雜金屬原子的C60超導(dǎo)報道最引人注目。有人預(yù)測，隨著碳分子族的進一步加大，通過摻雜，有可能發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體。這將是超導(dǎo)技術(shù)上的一大突破，C60超導(dǎo)體有著十分廣闊的應(yīng)用前景。圖12-8C60分子的足球模型2．碳納米管貴比黃金、細賽人發(fā)的“超級纖維”碳納米管，實際上和金剛石、石墨同屬于一個家族。作為近年來材料領(lǐng)域的研究熱點，碳納米管受到各國科學家的高度重視。碳納米管,是由石墨碳原子層卷曲而成的碳管，管直徑一般為幾個納米到幾十個納米，管壁厚度僅為幾個納米，像鐵絲網(wǎng)卷成的一個空心圓柱狀“籠形管”。它非常微小，5萬個并排起來才有人的一根頭發(fā)絲寬，實際上是長度和直徑之比很高的纖維。碳納米管于1911年由日本科學家合成問世，隨后又發(fā)現(xiàn)了它的一些特殊性質(zhì)，并加以應(yīng)用。1992年，發(fā)現(xiàn)碳納米管隨管壁曲卷結(jié)構(gòu)不同而呈現(xiàn)出半導(dǎo)體或良導(dǎo)體的特異導(dǎo)電性；1995年，研究并證實了其優(yōu)良的場發(fā)射性能；1996年，我國科學家實現(xiàn)碳納米管大面積定向生長；1998年，應(yīng)用碳納米管作電子管陰極；1998年，使用碳納米管制作室溫工作的場效應(yīng)晶體管；1999年，韓國一個研究小組制成碳納米管陰極彩色顯示器樣管；2000年，日本科學家制成高亮度的碳納米管場發(fā)射顯示器樣管。

碳納米管潛在用途十分誘人：可制成極好的微細探針和導(dǎo)線、性能頗佳的加強材料、理想的儲氫材料。它使壁掛電視進一步成為可能，并在將來可能替代硅芯片的納米芯片和納米電子學中扮演極重要的角色，從而引發(fā)計算機行業(yè)革命。12.24納米技術(shù)的應(yīng)用1.在陶瓷領(lǐng)域方面的應(yīng)用

陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。但是，由于傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強度較差，因而使其應(yīng)用受到了較大的限制。隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，希望以此來克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。

所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料。要制備納米陶瓷，這就需要解決：粉體尺寸形貌和粒徑分布的控制，團聚體的控制和分散。塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度以及成分的控制。科學家指出，如果多晶陶瓷是由大小為幾個納米的晶粒組成，則能夠在低溫下變?yōu)檠有缘模軌虬l(fā)生100%的范性形變。并且發(fā)現(xiàn)，納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性，在180℃經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。許多專家認為，如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過程中抑制晶粒長大的技術(shù)問題，從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷，則它將具有高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無與倫比的優(yōu)點。

雖然納米陶瓷還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決，但其優(yōu)良的室溫和高溫力學性能、抗彎強度、斷裂韌性，使其在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動機部件等諸多方面都有廣泛的應(yīng)用，并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2．在微電子學上的應(yīng)用

納米電子學是納米技術(shù)的重要組成部分，其主要思想是基于納米粒子的量子效應(yīng)來設(shè)計并制備納米量子器件。納米電子學的最終目標是將集成電路進一步減小，研制出由單原子或單分子構(gòu)成的在室溫能使用的各種器件。目前，利用納米電子學已經(jīng)研制成功各種納米器件。單電子晶體管，紅、綠、藍三基色可調(diào)諧的納米發(fā)光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應(yīng)制成的超微磁場探測器已經(jīng)問世。并且，具有奇特性能的碳納米管的研制成功，為納米電子學的發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用。

美國威斯康星大學已制造出可容納單個電子的量子點。在一個針尖上可容納這樣的量子點幾十億個。利用量子點可制成體積小、耗能少的單電子器件，在微電子和光電子領(lǐng)域?qū)@得廣泛應(yīng)用。此外，若能將幾十億個量子點連結(jié)起來，每個量子點的功能相當于大腦中的神經(jīng)細胞，再結(jié)合MEMS（微電子機械系統(tǒng)）方法，它將為研制智能型微型電腦帶來希望。

納米電子學立足于最新的物理理論和最先進的工藝手段，按照全新的理念來構(gòu)造電子系統(tǒng)，并開發(fā)物質(zhì)潛在的儲存和處理信息的能力，實現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，納米電子學將成為本世紀信息時代的核心。

3．在生物工程上的應(yīng)用生物分子是很好的信息處理材料，每一個生物大分子本身就是一個微型處理器，分子在運動過程中以可預(yù)測方式進行狀態(tài)變化，其原理類似于計算機的邏輯開關(guān)，利用該特性并結(jié)合納米技術(shù)，可以此來設(shè)計量子計算機。雖然分子計算機目前只是處于理想階段，但科學家已經(jīng)考慮應(yīng)用幾種生物分子制造計算機的組件，其中細菌視紫紅質(zhì)最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學循環(huán)特性可用于儲存信息，從而起到代替當今計算機信息處理和信息存儲的作用。

到目前為止，還沒有出現(xiàn)商品化的分子計算機組件。科學家們認為：要想提高集成度，制造微型計算機，關(guān)鍵在于尋找具有開關(guān)功能的微型器件。美國錫拉丘茲大學已經(jīng)利用細菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)制作出了光導(dǎo)“與”門，利用發(fā)光門制成蛋白質(zhì)存儲器。此外，他們還利用細菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)研制模擬人腦聯(lián)想能力的中心網(wǎng)絡(luò)和聯(lián)想式存儲裝置。納米計算機的問世，將會使當今的信息時代發(fā)生質(zhì)的飛躍。它將突破傳統(tǒng)極限，使單位體積物質(zhì)的儲存和信息處理的能力提高上百萬倍，從而實現(xiàn)電子學上的又一次革命。4．在化工領(lǐng)域的應(yīng)用

(1)．在催化方面的應(yīng)用催化劑在許多化學化工領(lǐng)域中起著重要的作用，它可以控制反應(yīng)時間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗進行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費，使經(jīng)濟效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒子用于作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來不能進行的反應(yīng)也能進行。

(2)．在涂料方面的應(yīng)用納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。表面涂層技術(shù)也是當今世界關(guān)注的熱點。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，添加納米材料，可獲得納米復(fù)合體系涂層，實現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保潔作用。在標牌上使用納米材料涂層，可利用其光學特性，達到儲存太陽能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達到減少光的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。納米靜電屏蔽材料，是納米技術(shù)的另一重要應(yīng)用。利用具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子如

Fe2O3、TiO2

等做成涂料，由于具有較高的導(dǎo)電特性，因而能起到靜電屏蔽作用。

(3)．

在其它精細化工方面的應(yīng)用精細化工是一個巨大的工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無疑也會給精細化工帶來福音，并顯示它的獨特魅力。在橡膠、塑料、涂料等精細化工領(lǐng)域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。此外，納米材料在纖維改性、有機玻璃制造方面也都有很好的應(yīng)用。

5．在醫(yī)學上的應(yīng)用隨著納米技術(shù)的發(fā)展，在醫(yī)學上該技術(shù)也開始嶄露頭腳。研究人員發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)的RNA蛋白質(zhì)復(fù)合體，其線度在15~20nm之間，并且生物體內(nèi)的多種病毒，也是納米粒子。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小，因而可以在血管中自由流動。如果將超微粒子注入到血液中，輸送到人體的各個部位，作為監(jiān)測和診斷疾病的手段。科研人員已經(jīng)成功利用納米

SiO2微粒進行了細胞分離，用金的納米粒子進行定位病變治療，以減少副作用等。另外，利用納米顆粒作為載體的病毒誘導(dǎo)物已經(jīng)取得了突破性進展，現(xiàn)在已用于臨床動物實驗，估計不久的將來即可服務(wù)于人類。

研究納米技術(shù)在生命醫(yī)學上的應(yīng)用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息。科學家們設(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進行檢測、診斷，并實施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。這樣，在不久的將來，被視為當今疑難病癥的愛滋病、高血壓、癌癥等都將迎刃而解，從而將使醫(yī)學研究發(fā)生一次革命。

6．在分子組裝方面的應(yīng)用

利用納米材料已挖掘出來的奇特的物理、化學和力學性能，設(shè)計納米復(fù)合材料。目前主要是進行納米組裝體系、人工組裝合成納米結(jié)構(gòu)材料的研究。雖然已經(jīng)取得了許多重要成果，但納米級微粒的尺寸大小及均勻程度的控制仍然是一大難關(guān)。如何合成具有特定尺寸，并且粒度均勻分布無團聚的納米材料，一直是科研工作者努力解決的問題。目前，納米技術(shù)深入到了對單原子的操縱，通過利用軟化學與主客體模板化學，超分子化學相結(jié)合的技術(shù)，正在成為組裝與剪裁，實現(xiàn)分子手術(shù)的主要手段。科學家們設(shè)想能夠設(shè)計出一種在納米量級上尺寸一定的模型，使納米顆粒能在該模型內(nèi)生成并穩(wěn)定存在，則可以控制納米粒子的尺寸大小并防止團聚的發(fā)生。

1996年，IBM公司利用分子組裝技術(shù)，研制出了世界上最小的“納米算盤”，該算盤的算珠由球狀的C60分子構(gòu)成。美國佐治亞理工學院的研究人員利用碳納米管制成了一種嶄新的“納米秤”，能夠稱出一個石墨微粒的重量，并預(yù)言該秤可以用來稱取病毒的重量

12.3光導(dǎo)纖維

12.3.1光及其特性

我們知道，光是一種電磁波。可見光部分波長范圍是：390～760nm。大于760nm部分是紅外光，小于390nm部分是紫外光。光纖中應(yīng)用的是：850，1300，1550三種。

因為光在不同物質(zhì)中的傳播速度是不同的，所以光從一種物質(zhì)射向另一種物質(zhì)時，在兩種物質(zhì)的交界面處會產(chǎn)生折射和反射。而且，折射光的角度會隨入射光的角度變化而變化。當入射光的角度達到或超過某一角度時，折射光會消失，入射光全部被反射回來，這就是光的全反射。不同的物質(zhì)對相同波長光的折射角度是不同的(即不同的物質(zhì)有不同的光折射率)，相同的物質(zhì)對不同波長光的折射角度也是不同的。光纖通訊就是基于以上原理而形成的。12.3.2光纖

1.光纖結(jié)構(gòu)：

光纖結(jié)構(gòu)呈同心圓柱狀，一般分為三層：中心高折射率玻璃芯(芯徑一般為50或62.5μm)，中間為低折射率硅玻璃包層(直徑一般為125μm)，最外是加強用的樹脂涂層。纖芯的作用是傳導(dǎo)光波，包層的作用是將光波封閉在光纖中傳播。

2.數(shù)值孔徑入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個角度范圍內(nèi)的入射光才可以。這個角度就稱為光纖的數(shù)值孔徑。光纖的數(shù)值孔徑大些對于光纖的對接是有利的。不同廠家生產(chǎn)的光纖的數(shù)值孔徑不同(AT&TCORNING)。

3.光纖的傳輸模式

光線以某一特定角度射入光纖端面，并能在纖芯與包層的界面上形成全反射傳輸時，稱為光的一個傳播模式。若光纖的纖芯直徑d較大，則在由數(shù)值孔徑確定的入射角度范圍內(nèi)，可允許光以多個特定的角度射入光纖端面，并在光纖中傳播。此時，我們稱光纖中有多個模式，并把這種能傳輸多個模式的光纖稱為多模光纖。如果光纖的纖芯直徑d較小，只允許與光纖軸方向一致的光線傳播，即只允許光的一個模式沿光纖的軸線傳播。我們把這一個模式稱為基模，把只允許傳輸一個基模的光纖稱為單模光纖。

4.光纖的種類

上已述，按光在光纖中的傳輸模式可分為：單模光纖和多模光纖。

多模光纖：中心玻璃芯較粗(50或62.5μm)，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。例如：600MB/KM的光纖在2KM時則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。單模光纖：中心玻璃芯較細(芯徑一般為9或10μm)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊，但其色度色散起主要作用，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。

5.常用光纖規(guī)格

單模：8/125μm，9/125μm，10/125μm

多模：50/125μm歐洲標準，62.5/125μm美國標準

工業(yè)，醫(yī)療和低速網(wǎng)絡(luò)：100/140μm，200/230μm

塑料：98/1000μm用于汽車控制。

12.3.3均勻折射率光纖導(dǎo)光原理光線是怎樣在光纖中傳播的呢?我們討論光在均勻折射率光纖中的傳播情形。在均勻折射率光纖中，光是依靠在纖芯和包層兩種介質(zhì)分界面上的全反射向前傳播的。射入光纖的光線有兩種，一種是穿過光纖纖芯軸線的光線，叫子午光線，如圖12-9(a)所示，子午光線在光纖內(nèi)沿鋸齒形的折線前進；另一種斜光線，它不穿過纖芯的軸線。如圖12—9(b)所示，從光纖的端面上看，斜光線的傳播軌跡呈多邊形折線狀。

圖12-9均勻折射率光纖中光線的傳播

12.3.4光纖制造與衰減：

1.光纖制造：現(xiàn)在光纖制造方法主要有：管內(nèi)CVD(化學汽相沉積)法，棒內(nèi)CVD法，PCVD(等離子體化學汽相沉積)法和VAD(軸向汽相沉積)法。2.光纖的衰減：

造成光纖衰減的主要因素有：本征，彎曲，擠壓，雜質(zhì)，不均勻和對接等。

本征是光纖的固有損耗，包括瑞利散射，固有吸收等；彎曲是光纖彎曲時部分光纖內(nèi)的光會因散射而損失掉造成的損耗；擠壓是光纖受到擠壓時產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗；雜質(zhì)是光纖內(nèi)雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失；不均勻是光纖材料的折射率不均勻造成的損耗；對接是光纖對接時產(chǎn)生的損耗，如：不同軸(單模光纖同軸度要求小于0.8μm)，端面與軸心不垂直，面不平，對接心徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。

12.3.4光纖的應(yīng)用

光纖在通信等領(lǐng)域具有日益廣泛的應(yīng)用。人類社會現(xiàn)在已發(fā)展到了信息社會，聲音、

圖象和數(shù)據(jù)等信息的交流量非常大。以前的通訊手段已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的要求，而光纖通訊以其獨特的優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。其應(yīng)用領(lǐng)域遍及通訊、交通、工業(yè)、醫(yī)療、教育、航空航天和計算機等行業(yè)，并正在向更廣更深的層次發(fā)展。光及光纖的應(yīng)用正給人類的生活帶來深刻的影響與變革。下面簡略介紹光纖通信。各種電信號對光波進行調(diào)制后，通過光纖進行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑Q光纖通信。光纖通信不同于有線電通信，后者是利用金屬媒體傳輸信號，光纖通信則是利用透明的光纖傳輸光波。雖然光和電都是電磁波，但頻率范圍相差很大。一般通信電纜最高使用頻率約9～24兆赫，光纖工作頻率在1014～1015Hz之間。

光纖通信系統(tǒng)的基本組成見圖12-10，它包括發(fā)送機、光纜、中繼器和接收機。發(fā)送機主要由光源及其相關(guān)的驅(qū)動電路組成，接收機主要由光檢測器、放大器和信號恢復(fù)電路組成。中繼器負責放大和整形信號，而光纜作為最主要的部件之一，用于傳輸光信號。一根光纜中通常包括若干根像頭發(fā)絲一樣細的光纖和多種光纖保護層，用于遠距離通訊的光纜中甚至還包含金屬導(dǎo)線，以便用來對放大光信號的中繼器供電。圖12-10光纖通信系統(tǒng)的基本組成

光纖通信最主要的優(yōu)點是：（１）容量大。光纖工作頻率比目前電纜使用的工作頻率高出8～9個數(shù)量級，故所開發(fā)的容量很大。(２）衰減小。光纖每公里衰減比目前容量最大的通信同軸電纜的每公里衰減要低一個數(shù)量級以上。（３）體積小，重量輕。同時有利于施工和運輸。（４）防干擾性能好。光纖不受強電干擾、電氣化鐵道干擾和雷電干擾，抗電磁脈沖能力也很強，保密性好。（５）節(jié)約有色金屬。一般通信電纜要耗用大量的銅、鋁或鉛等有色金屬。光纖本身是非金屬，光纖通信的發(fā)展將為國家節(jié)約大量有色金屬。（６）成本低。目前市場上各種電纜金屬材料價格不斷上漲，而光纖價格卻有所下降。這為光纖通信得到迅速發(fā)展創(chuàng)造了重要的前提條件。光纖通信首先應(yīng)用于市內(nèi)電話局之間的光纖中繼線路，繼而廣泛地用于長途干線網(wǎng)上，成為寬帶通信的基礎(chǔ)。光纖通信尤其適用于國家之間大容量、遠距離的通信，包括國內(nèi)沿海通信和國際間長距離海底光纖通信系統(tǒng)。目前，各國還在進一步研究、開發(fā)用于廣大用戶接入網(wǎng)上的光纖通信系統(tǒng)。

隨著光纖放大器、光波分復(fù)用技術(shù)、光弧子通信技術(shù)、光電集成和光集成等許多新技術(shù)不斷取得進展，光纖通信將會得到更快的發(fā)展。12.4聲學

我們?nèi)祟惿钤谝粋€充滿聲音的世界里。在空氣中的某一物體一旦發(fā)生振動，它就會引起物體周圍媒質(zhì)的運動，這種運動會一直向遠處擴散開來。當這種振動傳到我們耳朵里時，會引起鼓膜的同樣的振動，再傳到大腦的聽覺神經(jīng)，我們便有了聲音的感覺。聲音實質(zhì)是一種機械振動的傳播。聲學是研究機械振動在彈性媒質(zhì)(氣體、液體或固體)中傳播規(guī)律的學科。具體地說，就是研究聲波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應(yīng)。聲學是一門古老而又年輕的學科。它的起源可追溯到古代人類對于聽覺、語言、音樂等的認識。我國人民很早就從事樂器制造和樂律的研究。夏商時期就有了銅制的鈴、鐘、編鐘、皮制的鼓等多種樂器。現(xiàn)代聲學的研究始于17世紀牛頓力學形成和發(fā)展以后，人們認識到聲音是媒質(zhì)中傳播的機械波，從而把聲學現(xiàn)象和機械運動統(tǒng)一起來。到19世紀70年代，物理學家瑞利的《聲學理論》這部經(jīng)典聲學著作問世，使聲學成為物理學中一門嚴謹?shù)南鄬Κ毩⒌姆种W科。

20世紀以來，聲學的研究對象已從“可聽聲”延伸到人耳無法聽到的次聲和超聲、特超聲，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟各個部門及國防和人類的日常生活。并且，聲學與其它學科互相結(jié)合互相滲透，形成了不少獨特的邊緣學科。如水聲學、電聲學、環(huán)境聲學、激光超聲、語言合成、語言識別、超聲診斷和超聲醫(yī)學等。聲學技術(shù)在許多領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用。譬如，隨著聲信號的編碼、解碼技術(shù)；聲信號的壓縮、傳輸技術(shù)；聲控電話、語音識別、語音合成等領(lǐng)域的發(fā)展，IP電話、漢—英、漢—日簡單口語翻譯系統(tǒng)都已走向市場。聲學應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴大，并日益深入千家萬戶。

12.4.1聲學的基本概念與理論

1．

聲波在空氣中傳播

聲速

聲學的基本理論在于研究振動與波的傳播。如果質(zhì)點振動的方向與波的傳播方向相同，稱為縱波，如果質(zhì)點振動方向和波的傳播方向垂直，就稱為橫波。

傳播聲音的媒質(zhì)可以是氣體、液體和固體。在氣體和液體中，機械振動只能產(chǎn)生縱波；在固體中除了縱波之外，還可能有橫波。在日常生活中，聲源的振動是通過空氣傳到人耳的。下面討論聲振動在空氣中的傳播。

設(shè)聲源是一個振動著的音叉，音叉的振動引起空氣疏密狀態(tài)的變化。如圖12-11所示。在聲波傳播的過程中，質(zhì)點本身并不隨聲波向四周擴散，它只在某—固定點附近來回運動，這種運動，我們稱之為簡諧運動。

圖12-11聲音傳播過程中空氣疏密的變化

其微分方程是：其中A,B是任意常數(shù),是圓頻率，我們有時也用頻率

，表示質(zhì)點每秒振動的次數(shù)。現(xiàn)代聲學研究的頻率范圍為10-4~1014Hz,其中可聽聲頻率為20~2*104Hz；次聲為10-4~20Hz，超聲為2*104~1014Hz。

其中

E是媒質(zhì)的彈性模量，單位為Pa(be)，是媒質(zhì)密度，單位是kg/m3。聲波在15℃的空氣中的傳播速率為340m/s、在淡水中為l440m/s、在鋼中為5000m/s。一般說來，聲速在氣體中較小，在液體中比較大，在固體中最大。

其解是

聲波在媒質(zhì)中的傳播速率為

2．聲壓與聲強在有聲波傳播的空間，空氣中任一點附近質(zhì)點時密時疏，該點壓強發(fā)生時而增大、時而減小的變化。空氣中有聲波傳播時某點的壓強與沒有聲波時的壓強之差，稱為該點的聲壓（p）。隨著空氣中各點的聲振動的周期性變化，聲壓也作周期性變化。

聲波傳播時伴隨著能量的傳播。聲強就是聲波的能流密度，即

其中為聲壓的振幅。從上式可見，聲強與振幅的平方成正比。大振幅的聲波如爆炸、炮聲，聲強都很大。

從聲學實驗和心理學實驗得知，人耳主觀感覺到對聲音強弱的反應(yīng)不是和聲強成正比。而是近似地與聲強的對數(shù)成正比，因此引入聲強級作為聲強的量度。聲強級定義為聲強與標準聲強標準聲強

之比的對數(shù)，即0其單位為貝爾(Bel)。

又因為貝爾這個單位太大，通常采用貝爾的十分之一即分貝（dB）做單位，則聲強級的表示式為

又由于正比于,所以（dB）。

一般把人耳所聽到的最低聲壓2*10-5Pa作為比較標準的參考聲壓,以此為標準，可得表12-1。（dB）

聲源聲強級（dB）影響程度人耳最低可聽閾0安全普通談話60管弦樂隊（最大聲音）100長期影響，聽覺受損噴氣式飛機起飛（100m外）120聽覺快速受損，耳聾表12-1聲強級

12.4.2聽覺、語言和音樂

1.聽覺

雙耳是人的聽覺器官，它非常靈敏。人的聽覺能感受到的最小聲壓已接近于空氣中分子熱運動所產(chǎn)生的聲壓，能感受的頻率范圍約為20Hz～20000Hz，寬達十個倍頻程(即十個“八度”),人耳能感受的強度范圍約為10-12w·m-2～lw·m-2，大小相差1012倍。

(1)．純音

音叉振動發(fā)出的聲音，它的聲波可以認為是簡諧波，不要再進行分解，這種具有簡諧波形的音，叫做純音。

(2)．響度

一個聲音在聽覺感受上有多響，并不與這個聲音的物理強度成線性關(guān)系。所以在普通聲學中，除了有一套物理量之外，與之對應(yīng)的還有一套心理量，用以表示聲音在主觀感受上的程度。一個聲音有多響除了與它的強度大小有關(guān)外，還與它的頻率高低有關(guān)。與人的感受成正比的聲音大小的量稱為響度。

(3)．音調(diào)

一個聲音在聽覺感受上有多高，主要與它的頻率有關(guān)，但是它的強度也起很大作用。如果一個聲音里包含許多頻率成分，它的音調(diào)高低就更復(fù)雜。

音調(diào)高低的心理標度單位為mel(美)，它是以1000Hz，40Phon的純音的音調(diào)作基準，定為1000mel。要是一個純音聽起來比它高一倍，即為2000mel，要是低一半就是500mel，依此類推。(4)．雙耳效應(yīng)

人們判斷聲源的方向與距離，要靠兩個耳朵來接收，特別是覺察聲源運動，從嘈雜的環(huán)境中傾聽一個較弱的聲音等，靠的都是兩個耳朵的功能，這稱之為雙耳效應(yīng)。人們熟知的立體聲就是利用雙耳效應(yīng)。雙耳效應(yīng)的主要作用，來自于聲音到達兩個耳朵的時間差。頭部左右轉(zhuǎn)動，可以提高聲音定位的準確程度。在有混響的地方，如音樂廳、電影院，定位只依賴最先聽到的聲音在兩耳的時間差，這是立體聲系統(tǒng)的根據(jù)。

2．語言

語言首先是有聲語言，是與人類同時發(fā)展進化而來的。人的發(fā)音器官也是一具復(fù)雜而靈巧的機器，它主要是說話和唱歌，當然也可以發(fā)出各種聲音。發(fā)音器官由肺、氣管、聲門、咽腔、口腔和鼻腔等構(gòu)成。肺是能源，聲門由聲帶振動調(diào)制氣流使成交變信號，再經(jīng)過聲道(口腔、鼻腔、咽腔)加以濾波形成不同的簡正振動方式。由口和鼻(如果是鼻音的話)輻射到空氣環(huán)境中便是語音了。

語言是由語音(包括元音和輔音)按一定規(guī)則編排組合而成。在聲學上來看，不同的語音特征，體現(xiàn)在它們具有不同的時間—頻率特性上。

(1)．語言頻譜

人們?nèi)粘Ｕ勗捿椛涞穆暪β势骄s為l0mw，所以語言信號的功率是不大的，可是它所能傳遞的信息是無限的。

語言頻譜有兩種。其一是表示語音整體長時平均特性的長時平均頻譜，從現(xiàn)有的多種語言的測量結(jié)果來看，各種語言的長時平均頻譜是大同小異的。語言信號的頻帶約在100Hz～10000Hz，主要頻段約為l00Hz～4000Hz,不傳送基音的電話語言則定為300Hz～3400Hz。語言的另一種頻譜是短時頻譜，發(fā)音是一個連續(xù)慢變過程，用短時頻譜來表示不同語音的聲學持征。從聲源看，語音聲源可分為：準周期激勵、噪聲激勵和脈沖激勵三種。有的語音是由它們?nèi)叩哪撤N組合構(gòu)成的，如濁浦音就可能是由第一種準周期激勵(聲帶振動)，再加上第二種或第三種噪聲激勵所構(gòu)成(如漢語的濁聲母r、英語的濁輔音b、d、g)。

由于聲道的不同形狀可產(chǎn)生出不同語音，也就有不同的簡正方式，表現(xiàn)在語音短時頻譜上，稱之為共振峰。

(2)．語言合成與語言識別人們早就向往著讓機器說話和聽話。我國唐代就曾有過用木頭做的托缽僧，可以發(fā)出“布施”的音來，這可以說是世界上最早的會說話的機器。18、l９世紀西方也有用機械方法合成語音的，直到1939年才出現(xiàn)第一架采用電子線路的發(fā)音演示器。現(xiàn)在采用數(shù)字信號處理技術(shù)和語言聲學的基礎(chǔ)知識與特征參數(shù)，已經(jīng)可以合成出任何聲音。

讓機器能聽懂人說話，從而用口語指揮機器，做起來要更難一些。其基本原理，是利用實時的信號處理方法，提取語音信號特征，根據(jù)機器受過的訓(xùn)練，即所存貯的語音特征模式和必要的語音學、語言學知識，來做出識別和判斷，這稱為語言識別。語言識別可分為特定人語言識別和任意人語言識別。

語言識別的一個目標是實現(xiàn)語音打字，50年代就是以語音打字機來帶動這一研究的。除語言識別之外，在充分利用語法、語意的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了語言理解系統(tǒng)。當把高層次的語言合成系統(tǒng)和語言理解系統(tǒng)結(jié)合在一起時，又可實現(xiàn)人機語言對話系統(tǒng)。總有一天可以實現(xiàn)人與計算機打交道，不完全只靠鍵盤輸入和打印輸出，這對公共場所的許多服務(wù)設(shè)施，有著特別廣闊的應(yīng)用前景。3．音樂

音樂和語言一樣久遠，音樂聲學是聲學的古老的分支。音樂聲學的研究內(nèi)容包括聲樂和器樂兩方面，聲樂方面也稱歌唱聲學，主要研究發(fā)音的機理、歌聲的聲學特性；器樂方面主要研究樂律和樂器的聲學特性。

音樂上把—個倍頻程，如從某一頻率為f的純音到2f頻率之間的間隔，稱之為一個八度。又把一個八度按頻率比為21/12分成12等份，每一等份稱為一個半音，每一個半音又分成l00音分。兩個頻率，相比的音分數(shù)按下式來求

音分數(shù)＝

現(xiàn)代樂器制造所用的標準音調(diào)是＝440Hz。

利用現(xiàn)代電子技術(shù)和計算機，根據(jù)音樂理論和聲學數(shù)據(jù)，也可以實現(xiàn)計算機作曲和電子合成器樂演奏。12.4.3超聲

可聞聲段以外低于20Hz或高于20000Hz的聲波只能用儀器測得，高于20000Hz的聲波叫做超聲。超聲是人類所聽不見的。不過有些動物能夠聽見較低頻段的超聲，像蝙蝠、飛蛾、鯨魚、海獅等。

從客觀上講，超聲和可聽聲，除頻率范圍不同外，并沒有差異。超聲具有機械波的通性，可在任何彈性媒質(zhì)中傳播，還具有與聲波一樣的傳播速度。但超聲由于頻率高，便具有一些特點。尤其重要的是，這些特點可加以利用，這正是人們所以研究超聲規(guī)律的原因。1.超聲的特性

(1)．傳播的定向性強

一般聲波由于其波長較長，在其傳播過程中遇到障礙物時，容易繞過障礙物(這種聲波繞過障礙物的現(xiàn)象叫做聲的衍射)。只有當障礙物的線度遠大于聲波的波長時，衍射作用才可忽略。超聲波由于波長很短，不容易繞過障礙物，而象光波一樣沿直線傳播，因而它傳播的定向性強。頻率越高，定向性越顯著。超聲波碰到雜質(zhì)時，有顯著的反射現(xiàn)象，在達到介質(zhì)的分界面時，有折射現(xiàn)象。由于超聲波很容易被障礙物反射，因此只要接收到反射波，就可探知目標的距離。(2)．容易聚成細波束我們已知：發(fā)射聲波的頻率越高，發(fā)散角就越小，即聲波越容易形成細波束。例如發(fā)射10MHz的高頻超聲波，因它在水中的波長僅為0.15mm，所以只需用直徑為18mm的振動片，便可得到發(fā)散角只有0.60的超聲波射線束。超聲波的這種特性，使其既便于定向發(fā)射以尋求目標，同時又和光束相似，便于聚焦以獲得巨大的聲強。

(3)．容易獲得較大的功率和聲壓

因為聲強是和頻率的平方成正比的，所以超聲波的功率可以很大。近代超聲技術(shù)已能產(chǎn)生幾百至幾千瓦的功率。在極大的高頻聲強時，壓強振幅可達到千百個大氣壓這就使超聲波能對物質(zhì)產(chǎn)生顯著的作用。(4)．穿透本領(lǐng)大超聲波在空氣內(nèi)衰減得很厲害，而在液體和固體中卻衰減很小，穿透本領(lǐng)很大。它在不透明的固體中傳播時，能穿透幾十米的厚度。同時，它又最便于在液體和海洋中使用。2.超聲的應(yīng)用

（1）．超聲在醫(yī)學診斷和工業(yè)檢測中的應(yīng)用前已提到，超聲的一個特點是容易形成細聲束，以及可以被相當小的障礙物所散射，其中包括背(逆)向散射。將這束細聲束向正前方射出，同時使它上下左右擺動，便可以搜索前方有沒有障礙物。用電子學的手段，容易測量反射波或背散射波回轉(zhuǎn)的時間，在已知聲速的情況下，可以確定前方障礙物的位置。當障礙物足夠大時，從回波隨聲束移動的分布，可以顯示出障礙物的形狀；對比較小的障礙物，人們正在尋求判斷障礙物的大小、形狀、內(nèi)含物等特征的方法。對于不均勻的透明材料，我們常用光學的辦法檢測；對于不透明材料，用普通的光學方法是做不到的。而包括超聲的聲波則能夠透入任何媒質(zhì)，不論這媒質(zhì)是氣體、液體、還是固體，也不論透不透光，對不同媒質(zhì)的差別只是透入深淺不同。利用超聲來檢查或顯示媒質(zhì)中是否存在障礙物，以及障礙物有哪些特征，叫做超聲檢測。

對于超聲，障礙物是不同于基質(zhì)的物體。人的肝臟內(nèi)如果有個腫塊，這腫塊的不同于肝臟的，腫塊就是超聲的障礙物。母體內(nèi)的胎兒對于羊水中的超聲也是障礙物。因此超聲檢測很自然地用于人體，常稱為醫(yī)學超聲診斷，把超聲源(超聲探頭)在人體外表面掃動或在一處轉(zhuǎn)動，使聲束在人體內(nèi)作線掃描或扇形掃描，配合電子學手段，顯示出人體內(nèi)部與聲束方向平行的斷層內(nèi)超聲圖像的方法，就是當今家喻戶曉的“超”。類似的原理和方法可以用于檢查金屬和非金屬材料內(nèi)部的缺陷，缺陷也是障礙物。材料內(nèi)部可能有夾雜物、氣泡或裂縫，夾雜物、氣泡或裂縫的都與材料本身的不同．因此將反射或散射入射的超聲。用超聲檢測材料是工業(yè)上廣泛采用的無損檢測手段之一。

(2)．超聲在加工處理和醫(yī)學治療中的應(yīng)用利用超聲的能量以及超聲與物質(zhì)的相互作用，可以改變物質(zhì)的一些物理、化學及生物性質(zhì)或狀態(tài)，或者加快這些改變過程，簡稱加工和處理。超聲的頻率范圍寬、產(chǎn)生的能量大、設(shè)備比較小巧、又不伴生噪聲，因此聲波的加工和處理應(yīng)用幾乎都在超聲范圍。在工業(yè)上，超聲大量用于乳化、清洗、粉碎、搪錫、鉆孔、霧化、焊接、金屬成型等。近幾年來，超聲加速化學反應(yīng)的作用受到關(guān)注，聲化學逐漸發(fā)展為一門新興的熱門分支學科。超聲用于醫(yī)學治療已有多年的歷史，應(yīng)用面廣泛，近來報道了治療偏癱、面神經(jīng)麻痹、小兒麻痹后遺癥、乳腺炎、乳腺增生癥、血腫等等，都有一定的療效。

12.4.4聲與海洋

1.水聲學

在人們所熟知的各種輻射形式中，以聲波在海水中的傳播為最佳。在混濁和含鹽的海水中，無論光波或電磁波的衰減都遠較聲波的衰減為大，所以聲波是人類迄今為止已知的惟一可在水下遠距離傳播的能量形式。海洋及其邊界的詳細特征對聲傳播的影響是非常復(fù)雜的。聲速是溫度、深度和鹽度的函數(shù)，而溫度又是深度、季節(jié)、地理位置(緯度)和氣候條件的函數(shù)。海洋表面有時是非常光滑的反射體，有時又是隨機散射聲波的非常粗糙且擾動的表面，海底的構(gòu)造、斜度及粗糙度也是變化多端的，所有這些因素都影響聲的傳播。聲速與海面及海底邊界相互作用的效果產(chǎn)生了最終的聲傳播特性。有關(guān)水聲方面的研究，形成了水聲學。2.海洋開發(fā)中的水聲學

水聲學在海洋開發(fā)中有許多應(yīng)用。人類賴以生存的地球，海洋占表面積的70％，開發(fā)和利用海洋是人類生產(chǎn)、生活的重要活動。據(jù)估計，海底石油、天然氣的儲量約占地球總蘊藏量的50％左右，大洋洋底分布的錳結(jié)核約有15000億噸，海洋每年大約可以為人類提供30億噸食物，海洋中大約有80種化學元素，大洋的變化又是地球氣候變化的重要因素。幾乎每一項開發(fā)海洋的工程活動都或多或少地與水聲學有關(guān)。如海洋環(huán)境參數(shù)測量；海底地形、地貌及地質(zhì)勘探；導(dǎo)航及其他應(yīng)用等。

12.5光彩奪目的新光源

光，對人類是何等重要。自從鉆木取火，到使用蠟燭和油燈，人類經(jīng)歷了幾十萬年。直到美國發(fā)明家愛迪生（T.A.Edison,1847-1931）于1879上試制成世界上第一個可使用的碳絲白熾燈，使光源發(fā)生了革命性的變化。在隨后不到20年時間里，于1895年發(fā)現(xiàn)了一種特殊性能的光源——X光光源，它的出現(xiàn)，也稱得上是一次革命性的變化。這種光源不是用來照明，而是使人的視野擴展到了肉眼所看不到的物體內(nèi)部的微觀領(lǐng)域。到了20世紀60年代，激光光源的出現(xiàn)，可以說是在人工制造光源歷史上又一次革命性的變化。激光的英文名稱是Laser,它是由全稱lightamplificationbystimulatedemissionofradiation(輻射的受激發(fā)射光放大)中各單詞的首字母組成。激光以其優(yōu)異的特性，在短短的40年時間中得到了迅速發(fā)展，激光技術(shù)已成為碩果累累的一門新興科學技術(shù)。它以高、精、尖的技術(shù)特點，在人類生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事以及科學研究等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。尤其在當今信息技術(shù)領(lǐng)域中，激光作為一種獨特的信息載體，起著舉足輕重的作用，已成為一顆光彩奪目的“明珠”。繼X光光源和激光之后，又出現(xiàn)了同步輻射光源。這種新光源所發(fā)射的同步輻射光是利用同步加速器加速電子而產(chǎn)生的，它不僅具備前述光源的優(yōu)點，而且具有波長覆蓋面廣、連續(xù)可調(diào)的特點，在物理、化學、生命科學、醫(yī)學、材料科學、微電子工業(yè)、微加工技術(shù)等領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。12.5.1激光產(chǎn)生的基本原理

激光是一種光。人類對激光的認識，是在對光的本性認識的基礎(chǔ)上逐步深入的。1.激光的產(chǎn)生

（1）．光的本性

光學是一門古老的學科，到19世紀，關(guān)于光的本性的認識形成了兩個不同的學派。一是牛頓提出的光的微粒說，認為光是從發(fā)光體發(fā)出來的以一定的速度在空間傳播的、有彈性的微粒流；另一是與牛頓同時代的科學家惠更斯提出的光的波動說，認為光是在特殊彈性媒質(zhì)中傳播的機械振動，像聲音一樣是一種波動過程。兩種觀點各持已見。鑒于牛頓的巨大威望，開始是微粒說占據(jù)優(yōu)勢，并一直持續(xù)了一百多年。隨著科學的發(fā)展，光的干涉、衍射、偏振等新的實驗事實的逐步被發(fā)現(xiàn)，微粒說難以解釋，光的機械波動說占了上風。19世紀中葉，電磁學的研究有了重大進展，人們認識到光實質(zhì)上是一種電磁現(xiàn)象，光波就是一種電磁波，光的電磁理論在認識光的本性上前進了一大步。20世紀初，光學研究深入到光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的微觀機制，光的電磁理論在解釋黑體輻射問題時遇到了很大困難。為此普朗克提出了能量子假設(shè)，后經(jīng)愛因斯坦發(fā)展為光量子理論，它很好地解釋了黑體輻射、光電效應(yīng)，進而使人們認識到光既有波動性，又有粒子性，是波粒二象性的對立統(tǒng)一體。

（1）．自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收普通光源的發(fā)光是由于物質(zhì)在受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時，原子中的電子就會吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級，即原子被激發(fā)，這個過程叫做“受激過程”。在沒有外界作用下，電子會自發(fā)地從高能級（）向低能級（）躍遷，躍遷時產(chǎn)生光（電磁波）輻射，輻射光子的能量為這種輻射稱為自發(fā)輻射。在原子中可能存在一些能級，一旦電子被激發(fā)到這種能級上時，由于不滿足躍遷的選擇規(guī)則，使它在這種能級上的壽命特別長（可達到10－3秒，甚至1秒），不易發(fā)生自發(fā)躍遷以退到低能級上，這種激發(fā)能級稱為亞穩(wěn)態(tài)能級。但在外加光的誘發(fā)和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級，并放出光子。這種過程是被“激”出來的，故稱為受激輻射。亞穩(wěn)態(tài)在激光產(chǎn)生的過程中起著特殊的重要作用。受激輻射的概念是愛因斯坦于1917年在推導(dǎo)普朗克的黑體輻射公式時首先提出來的。他從理論上預(yù)言了原子發(fā)生受激輻射的可能性，這是后人發(fā)明激光的物理基礎(chǔ)。受激輻射的過程大致如下：原子開始處于高能級，當一個外來光子所帶的能量正好為某一對能級之差，則這原子可以在此外來光子的誘發(fā)下從高能級向低能級躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點，就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是，入射一個光子，就會出射兩個全同光子，這意味著原來的光信號被放大了。這種在受激過程中產(chǎn)生并被放大的光，就是激光。（2）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)處于能級E的原子數(shù)密度N的大小是隨能級E的增加而指數(shù)減小，即式中為波爾茲曼常量，為絕對溫度。因為,，所以.可見室溫下，全部氫原子幾乎都處于基態(tài)。所以，在通常情況下，原子處于低能級上的數(shù)目比處于高能級上的數(shù)目多，這種粒子數(shù)分布，叫做粒子數(shù)的正常分布。要使原子發(fā)光，必須由外界提供能量使原子達到激發(fā)態(tài)，所以普通光源的發(fā)光是包含了受激吸收和自發(fā)發(fā)射兩個過程。只有當處在高能級的原子數(shù)目比處在低能級的還多時，受激輻射躍遷才能超過受激吸收，而占優(yōu)勢。由此可見，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級上的數(shù)目必須比低能級上的多，這種情況，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但正如上面所討論過的，在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態(tài)）。因此，如何從技術(shù)上實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。２．激光的特點

（1）．高亮度性——比太陽還要亮百億倍太陽光又強、又熱，誰也不敢正視耀眼的太陽，可是與激光相比，太陽光就仿佛是小巫見大巫了。梅曼制成的那臺紅寶石激光器，它發(fā)射出的深紅色激光是太陽亮度的四倍。而近年來研制出的最新激光，要比太陽表面亮度高出一百億倍以上！因為激光器發(fā)出的激光是集中在沿軸線方向的一個極小發(fā)射角內(nèi)，僅十分之一度左右，激光的亮度就會比同功率的普通光源高出幾億倍。再加上激光器能利用特殊技術(shù)，在極短的時間內(nèi)（比如一萬億分之一秒）輻射出巨大的能量，當它會聚在一點時，可產(chǎn)生幾百萬度，甚至幾千萬度的高溫。（２）．高單色性——顏色最純太陽光分解成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七色光。不同顏色的光，它們的波長是各不相同的。在自然界中幾乎找不到波長純而又純的光，各種波長的光總是混雜在一起的。科學家們長期以來一直努力尋找一種波長一致的單色光源。激光就是這種理想的單色光源。拿氦氖氣體激光器來說，它射出的波長寬度不到一百億分之一微米，完全可以視為單一而沒有偏差的波長，是極純的單色光。（３）．高方向性——方向最集中當我們按亮手電筒或打開探照燈時，看上去它們射出的光束在方向上是筆直的，似乎也很集中，但實際上，當光束射到一定距離后，就散得四分五裂了。唯有激光才是方向最一致、最集中的光。如果將激光束射向月球，它不僅只須花1秒鐘左右便能到達月球表面，而且僅在那里留下一個幾百米的光斑區(qū)。（４）．高相干性——相干性極好當用手將池中的水激起水波，并使這些水波的波峰與波峰相疊時，水波的起伏就會加劇，這種現(xiàn)象就叫干涉，能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的波叫干涉波。激光是一種相干光波，它的波長、方向等都一致。物理學家通常用相干長度來表示光的相干性，光源的相干長度越長，光的相干性越好。而激光的相干長度可達幾十千米。因此，如果將激光用于精密測量，它的最大可測長度要比普通單色光大10萬倍以上。激光的四大特點是相互聯(lián)系，相輔相成的。3.激光器的結(jié)構(gòu)激光器一般包括三個部分：(1)．激光工作介質(zhì)

介質(zhì)可以是氣體、液體、固體、或半導(dǎo)體。現(xiàn)已有工作介質(zhì)近千種，可產(chǎn)生的激光波長包括從真空紫外到紅外，光譜范圍非常之廣。(2)．激勵源一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源去照射工作介質(zhì)，稱光激勵；還有熱激勵、化學激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。(3)．諧振腔光學諧振腔，實際是在激光器兩端，面對面裝上兩塊反射率很高的平面鏡。腔反射鏡常用金屬鏡或非金屬基片上鍍金屬膜。一塊對光幾乎全反射，另一塊則讓光大部分反射、少量投射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，從而使光被放大。光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強烈的激光，從部分反射鏡一端輸出。所輸出的激光不僅光強，而且有很好的方向性和單色性。4．激光器的種類按工作介質(zhì)的不同來分類，可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。(1)．固體激光器：具有器件小、堅固、使用方便、輸出功率大的特點。1960年5月15日，加州休斯實驗室的梅曼（T.H.Maiman,1927-）制成了世界上第一臺紅寶石激光器，獲得了世界上第一束激光，波長為694.3納米。紅寶石激光器如圖12-12:圖12-12紅寶石激光器(2)．氣體激光器：具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低；操作方便；工作介質(zhì)均勻、光束良好；以及能長時間較穩(wěn)定地連續(xù)地工作的優(yōu)點。(3)．半導(dǎo)體激光器：體積小，質(zhì)量輕，壽命長，結(jié)構(gòu)簡單而堅固，特別適用在飛機、車輛宇宙飛船上用。(4)．液體激光器：工作原理比其他類型激光要復(fù)雜得多。輸出波長連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬是它的突出優(yōu)點。還可根據(jù)激光輸出方式的不同，分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。12.5.2激光技術(shù)的應(yīng)用激光是在有理論準備和生產(chǎn)實踐迫切需要的背景下應(yīng)運而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛速發(fā)展。激光的發(fā)展不僅使古老的光學科學和光學技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。激光器的發(fā)明不僅是光學發(fā)展史上的偉大里程碑，而且是整個科技史上的一個偉大里程碑，激光技術(shù)在現(xiàn)代社會中正在發(fā)揮越來越大的作用。1.步入人類生活的激光技術(shù)(1)．激光育種激光育種是激光技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的最新應(yīng)用，并已經(jīng)獲得了成功。激光育種是在其他高科技成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在微波育種、X射線育種、放射性同位素育種、中子育種等背景下出現(xiàn)的。早在20世紀60年代，科學家就發(fā)現(xiàn)，利用紅寶石激光照射胡蘿卜、蠶豆等種子，可以有效提高其發(fā)芽率和出苗率。受到這一啟發(fā)，科學家開始考慮用激光束來照射種子。由于激光束具有很強的光照度，因此，經(jīng)過它照射的種子應(yīng)該有出乎人意料的結(jié)果。科學家的預(yù)想通過實驗變?yōu)榱爽F(xiàn)實，結(jié)果證明這一預(yù)想是科學合理的。20世紀90年代，俄羅斯科學家用激光束照射小麥種子，使用這種小麥種子的小麥分蘗抽穗多，穗頭飽滿結(jié)實，平均每畝小麥可以提高產(chǎn)量60千克，蛋白質(zhì)含量增加5％。我國也掌握了這一技術(shù)，而且水平居于世界前列。我國試驗激光育種的植物品種包括水稻、小麥、大豆、玉米、谷子、蠶豆、油菜等200多種植物種子。激光育種方法方便易行，可以照射在植株的特定部位，按波長、劑量、部位和照射時間來進行研究。種子經(jīng)過激光照射以后，可以大大提高產(chǎn)量。例如用激光培育的油菜種子，經(jīng)過大面積試種，能夠提高60％的產(chǎn)量。（2）激光醫(yī)療激光在醫(yī)學上的應(yīng)用發(fā)展非常迅速，己形成了激光醫(yī)學這門邊緣科學。激光診療具有精細準確、安全可靠、療效好、痛苦少等優(yōu)點，依其診療特點可分為利用汽化、切割、凝固、燒灼等方法的手術(shù)性治療；利用光導(dǎo)纖維導(dǎo)入內(nèi)腔鏡的內(nèi)腔治療；發(fā)散成低功率密度的理療性照射治療；與專科設(shè)備配套的專科性治療；以及結(jié)合專用藥物、器械的特殊診療，除理療照射（包括穴位照射）治療外，其實質(zhì)是一種新型的醫(yī)學工程，在其發(fā)展過程中，其科學和實用的特點確立了激光醫(yī)學的新形象。光對生物體的作用有光熱(photo-thermal)作用、光音響(photo-acoustic)作用、光化學(photo-chemical)作用等，激光治療就是利用這些作用的。作為穿孔治療的實例，稱為激光TMR的治療近來成為主要話題。它是在有拍動的狀態(tài)下，對心肌梗塞的心臟進行激光照射，在心肌上打穿多個孔，恢復(fù)血液循環(huán)的驚人的治療方法。