物理學與現(xiàn)代科技

1、物理學與現(xiàn)代科技小心來自太空的耳目 窗體頂部全世界到底總共有多少枚可以拍攝高清晰度照片的偵察衛(wèi)星目前還不清楚，但有一點可以肯定，世界上只有美國、俄羅斯、法國以及以色列等少數(shù)幾個國家擁有高清晰度衛(wèi)星。偵察衛(wèi)星，就是竊取軍事情報的衛(wèi)星，它站得高看得遠，既能監(jiān)視又能竊聽，是個名副其實的太空千里眼。1990年8月2日，伊拉克突然襲擊并占領了科威特的國土，由此拉開了一場持續(xù)半年之久的海灣戰(zhàn)爭。四十多萬美國及盟國軍隊云集海灣，伊拉克的重要機場，武器庫、戰(zhàn)略設施受到了美國導彈和飛機的狂轟濫炸，損失沉重。美國何以能準確地掌握伊拉克的軍事機密呢？其中偵察衛(wèi)星功不可沒。偵察衛(wèi)星利用光電遙感器或無線電接收機，搜集到

2、地面的目標輻射，反射或發(fā)射出的電磁波信息，用膠卷或磁帶記錄下來后存貯在衛(wèi)星返回艙里，待衛(wèi)星返回時地面回收?；蛘咄ㄟ^無線電傳輸?shù)姆椒ǎS時或在某個適當?shù)臅r候傳輸給地面接收站，經光學，電子計算機處理后使用。偵察衛(wèi)星根據(jù)執(zhí)行任務和偵察設備的不同，分為照相偵察衛(wèi)星、電子偵察衛(wèi)星、海洋監(jiān)視衛(wèi)星和預警衛(wèi)星。照相偵察衛(wèi)星裝有可見光照相機、電視攝像機，對目標實行拍照。為了發(fā)現(xiàn)和識別目標，對相機鏡頭和圖像分辨率要求很高。這種衛(wèi)星一般運行在近地點高度150千米280千米的近地軌道上，如果裝備上紅外相機和多光譜相機，還具有夜間偵察和識別偽裝的能力。照相偵察衛(wèi)星按偵察信息送回地面的方式分為返回型和傳輸型。返回型是將拍

3、好的膠卷存入回收艙中返回地面，它利用膠片成像的原理，優(yōu)點是圖像分辨率高、直觀、易于識別分析，缺點是回收不及時，容易貽誤戰(zhàn)機。傳輸型利用光電成像原理，先把圖像信息記錄在磁帶上，飛到地面臺站的控制區(qū)時，再將圖像信息發(fā)送到地面，由地面進行處理和識別。它的優(yōu)點是地面收到信息快，但圖像分辨率不高。美國從1959年2月開始發(fā)射照相偵察衛(wèi)星，直到1960年8月首次發(fā)射回收成功，從發(fā)現(xiàn)者號至今已開展了五代偵察衛(wèi)星。1960年10月發(fā)射的薩莫斯號無線電傳輸型衛(wèi)星是第一代；第二代改進了攝影系統(tǒng)的傳輸型衛(wèi)星，能在軌道上停留34周，返回型能在軌道上停留35天；第三代返回型衛(wèi)星裝有更完美的遙感裝置和更高級的相機，裝有空

4、地快速通信系統(tǒng)，可把信息以高傳輸率發(fā)回到地面；第四代叫“大鳥號，它兼有回收膠卷和無線電傳輸兩種功能，壽命52220天，它拍的照片可以清晰地分辨出火車、汽車、建筑物及行人；第五代是“鎖眼號，星上裝有固體攝像機，采用數(shù)字實時傳輸方式，以多種形式進行信息自動化處理，壽命為2.5年或更長。 電子偵察衛(wèi)星裝有電子偵察設備，用來偵辨雷達和其他無線電設備的位置和特性，竊聽遙測和通信等機密信息。這種衛(wèi)星一般運行在高約500或1000多千米的近圓軌道上。電子偵察衛(wèi)星是竊聽能手，當它經過別國上空時，星上磁帶迅速錄下雷達信號、電臺信號等，等轉回到本國上空時又把這些信號輸送到地面站。經地面分析、研究就能掌握別國地面雷

5、達的位置、特性、破譯電臺的信號。美國1988年8月發(fā)射的一顆重型電子偵察衛(wèi)星，可以同時監(jiān)聽中蘇兩國11000條 和步話機無線 。 海洋監(jiān)視衛(wèi)星裝有雷達、無線電接收機、紅外探測器等偵察設備，監(jiān)視海上艦船和潛艇的活動。為了對廣闊的海洋連續(xù)監(jiān)視，衛(wèi)星軌道一般比擬高，為1000千米左右的近圓軌道，并需要由多顆衛(wèi)星組成海洋監(jiān)視網。預警衛(wèi)星利用星上的紅外探測儀，探測導彈飛行時發(fā)動機尾焰的紅外輻射，配合電視攝像機及時準確地判斷敵方導彈方向，迅速報警，使地面防空部隊準備攔擊導彈，城市居民緊急疏散隱蔽。在預警衛(wèi)星出現(xiàn)前，人們用巨型雷達探測，由于地球曲面的阻擋，只有當導彈爬高到250千米的高空時，雷達才能“看到目

6、標，預警時間只有15分鐘，常常由于來不及準備而被動挨打。預警衛(wèi)星可以把預警時間提到30分鐘。海灣戰(zhàn)爭中，美國的愛國者導彈攔擊伊拉克的飛毛腿導彈，預警衛(wèi)星起了極大的作用。預警衛(wèi)星運行在地球靜止軌道，并由幾顆衛(wèi)星組成一個預警網。 姬海灣戰(zhàn)爭中的偵察衛(wèi)星海灣戰(zhàn)爭中，為多國部隊效勞的軍事衛(wèi)星至少有32顆，其中不少是偵察衛(wèi)星。鎖眼11偵察衛(wèi)星是美國最新型的數(shù)字成像無線電傳輸衛(wèi)星，它不用膠卷而是用電荷耦合器件攝像機拍攝地物場景圖像，然后傳送給地面。地面收看的效果猶如看電視片。它的地面分辨率為1.53米，它最早發(fā)現(xiàn)伊拉克軍隊向科威特推進的行動。還有一種更先進的鎖眼12偵察衛(wèi)星，它的地面分辨率高達0.1米，足

7、可以清點沙漠中伊軍的坦克、帳蓬和人員。這種衛(wèi)星具有一種“斜視功能，即當衛(wèi)星不能直接飛越海灣地區(qū)上空時，也能通過改變其光學系統(tǒng)的指向來攝取旁邊地域的圖像。衛(wèi)星上的紅外設備還可以在夜間拍照。 “長曲棍球號偵察衛(wèi)星是一種雷達成像型衛(wèi)星。海灣地區(qū)地表沙漠多，最適合雷達全天候監(jiān)視。雷達成像衛(wèi)星與可見光照相偵察衛(wèi)星不同，它不受光照條件限制，可以晝夜工作，不間斷地提供地面目標圖像。這些衛(wèi)星傳回了大量數(shù)據(jù)，在處理、分析這些情報的美國圖像照片判讀中心里堆積如山，使處理人員每天工作長達18小時以上。經過處理的信息輸入美國海軍空軍的導彈制導系統(tǒng)中，其結果是伊拉克一個個精心偽裝的戰(zhàn)略重地大多進了多國部隊的轟炸清單。窗

8、體底部窗體底部激光新學科 窗體頂部 激光的出現(xiàn)帶動了多學科的開展，如量子光學、量子電子學、激光光譜學、非線性光學、集成光學、海洋光學等等。這里我們只列舉一些與日常生活相關的激光應用科學的開展。 (1)激光光盤制作技術 1877年世界上第一臺留聲機在愛迪生的手上誕生了！它是聲像技術開展的開端。人們并不滿足于唱機，20世紀40年代初，德國研制出具有高頻偏磁和良好機械傳輸性能的磁帶錄音機，開拓出記錄聲音的新渠道。到1955年，美國無線電公司宣布實驗成功磁帶彩色錄像機，能把自己和大自然的形像記錄下來，它揭開了聲像技術史的新頁，翻開了現(xiàn)代聲像技術開展的大門和通路。3年后，美國安皮克公司生產出商用彩色錄像

9、機。1970年，英國德卡公司研制出第一臺黑白電視錄像盤。兩年后，荷蘭菲利浦公司研制出用激光器拾音的彩色電視錄像盤。這就是現(xiàn)代激光光盤的誕生！ 激光光盤的誕生，激光在音響設備上的應用，是音響上的一次革命。人們利用激光，以“光針代替鋼針、寶石針，制成激光唱片。激光唱片不僅能夠錄音，而且能夠錄像。激光唱片用來記錄、存儲聲音和圖像，可以說，這是聲像技術上的一次革命，一個偉大的創(chuàng)舉。 自從激光光盤出現(xiàn)以來，人們充分挖掘它的潛力，創(chuàng)造多種功能的激光唱機和唱片，1983年，美國和日本分別研制成嶄新的數(shù)字錄音唱片。這種唱片完全擺脫了傳統(tǒng)唱片的制作和重播方式，為唱片開辟了一個全新的境界。這種數(shù)字唱片，在存儲技術

10、等方面都有重要的用途。 激光光盤技術開展很快，各種功能、各種用途的新型唱機、唱片層出不窮。于是，激光光盤和電子計算機技術、聲像技術聯(lián)手，踏入文獻存儲和檢索的領域。信息存儲在光盤上，快速檢索、查閱和打印出所需要的資料。現(xiàn)在光盤書籍已進入家庭生活。 姬(2)逼真的照片 現(xiàn)代的全息照相，伴隨著激光技術而獲得新生和開展，為我們提供了一種捕捉景物一切可見信息的途徑，可以得到極其逼真的立體顯示的全息照片。用全息照相方法所得到的照片，在適當?shù)墓庹障拢瓉淼木拔锞蜁佻F(xiàn)在我們的面前。由于全息照片記錄了景物光波的全部信息，所以再現(xiàn)出來的景象和原來的一模一樣。全息照片再現(xiàn)出來的景象是如此逼真：使人產生身臨其境之感

11、，以致想走過去仔細看看，想伸出手去摸一摸。全息照片是真正的立體照片。用全息照相方法所得到的照片，經得起“破壞性的打擊。全息照片的每一局部，不管有多大，都能再現(xiàn)出原來的整個景象，這就是說，可以將全息照片分成假設干小塊，每一小塊都可以完整地再現(xiàn)出原來的景象。因此，如果全息照片被打破了，撕碎了，或者在某個案件中捕獲到的是毀壞了的全息照片的殘渣，總可以從一小塊碎片重新復制出原樣的照片來。 (3)激光醫(yī)學 激光醫(yī)學是激光技術的新領域，1960年世界上第一臺紅寶石激光器問世后，1961年即用于治療視網膜脫落，1963年激光光刀用于腫瘤切割。70年代醫(yī)用激光治療機在臨床各科得到廣泛應用。1981年聯(lián)合國衛(wèi)生

12、組織正式宣布激光醫(yī)學為醫(yī)學的一個新分支。激光以其特有的優(yōu)越性能解決了許多傳統(tǒng)醫(yī)學的難題。激光治療最早用于眼科，對視網膜剝離眼底血管病變、虹膜切開、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治療。激光手術刀具有術中出血少，可減少細菌感染等優(yōu)點。激光與中醫(yī)針灸術結合而形成的“光針，對鎮(zhèn)痛、哮喘、遺尿、高血壓等有一定療效。激光技術為現(xiàn)代醫(yī)學提供了一種“神力，能夠治療內科、外科、眼科、皮膚、腫瘤和耳鼻喉科的100多種疾病。激光己成為有益于人類的幸福之光，生命之光。 (4)光纖通信 光導纖維傳光是利用在光導纖維中傳輸光線在界面上發(fā)生全反射來實現(xiàn)的。這種透明細長纖維傳光現(xiàn)象很早就為希臘玻璃工人所發(fā)現(xiàn)。1870年英國

13、人廷德爾首先通過實驗觀察到光沿彎曲水柱傳播的現(xiàn)象。1929年美國人哈塞爾制成石英纖維，但由于質量差，沒能實際應用。50年代美國人卡帕尼和荷蘭人馮西爾首先制成玻璃芯，解決了光學絕緣的難題。激光器的問世，纖維光學才真正得到飛速開展。1973年第一個光纖通信實驗系統(tǒng)在美國貝爾實驗室建成。光纖通信進入了實際應用?，F(xiàn)在以光導纖維為傳導介質的傳感技術已在醫(yī)學、物理學、化學、通信、紡織、航空航天、電氣、汽車、自動化等幾乎所有工程領域和根底實驗科學領域得到廣泛使用。 可視 也是靠大容量的光纖通信系統(tǒng)實現(xiàn)的。在通話時，不但彼此能看到對方的音容笑貌，還能相互展示手中的照片及其他東西。親人遙隔千萬里，就像相聚在一起

14、一樣?？梢?還可以用于 會議、醫(yī)療會診、指揮生產等。 光纖通信在有線播送電視方面也大有可為。利用光纜構成電視網，能夠傳送幾百幾千套電視，使人們可以隨意選擇收看各種各樣的電視節(jié)目，而且這種電視不受地形地物障礙的影響。此外，還可以迅速及時地傳送電視報紙，可以進行電視教學。 5藝術殿堂升光芒 卡拉OK音樂廳、鐳射舞廳有一位極其重要的“配角激光，運用激光手段，增添信息，拓展時空，使豐富多采的節(jié)目更加令人回味無窮，可以說，藝術的成功，也與激光作為“配角是分不開的，最常用的是能夠產生紅綠藍3色的離子激光器。 目前，已出現(xiàn)獨具特色的光子樂器，它和電子樂器相比也毫不遜色。激光光纖吉他，光導纖維作為吉他的琴弦，

15、通過光信號的變化，可以演奏出極其美妙的樂曲。激光豎琴，更是別具一格，琴弦是由一臺氪激光器和兩臺氬激光器產生的一排絢麗多彩的豎直光束。琴師“撥奏激光豎琴的“琴弦有節(jié)律地遮斷光束，啟動琴中的光電傳感器，于是便奏出令人叫絕的樂曲。光子在音樂領域里的奉獻遠不止這些，從開展來看，光子樂器雖然是后起之秀，卻大有后來居上之勢。激光不但是醫(yī)生手中的手術刀，還是畫家和雕刻家手中的光筆和雕刻刀。藝術家們利用激光束這得心應手的畫筆和刻刀，在各種紙板、木板、石板、玻璃板和金屬板上進行繪畫和雕刻創(chuàng)作，可以借助于激光束的強度、聚焦和散焦的變化，創(chuàng)作出完美的獨具風格和特色的作品來；還可以借助于計算機輔助設計技術，對所創(chuàng)作的

16、作品進行修改。此外，激光還可以用來修復名畫，使已經黯然的畫面恢復其青春的光榮。 6五谷豐收也靠它 人類要生存，第一需要是糧食。播下什么種子，就會有什么收獲?，F(xiàn)在，在農作物品種改進和新品種培育方面，人們利用激光處理種子，收到了明顯的增產效果。人們通過對激光育種的生物學研究，發(fā)現(xiàn)在特定激光輻照作用下，產生光物理、光化學和光生物學效應，就會出現(xiàn)“染色體變異，于是導致遺傳性狀的改變，而產生出新的品種。人們還用激光適當?shù)卣丈湫Q豆、玉米、蘿卜、黃瓜和西紅柿的種子，加速種子發(fā)芽，提高種子出芽率，促進農作物生長，使農作物早熟、抗病、增產。 人們利用不同波長、不同劑量的激光進行試驗，深入研究綠色植物光合作用的根

17、本機理，深入研究從發(fā)芽直到成熟結籽的根本過程。人們采取適當波長和適當劑量的激光照射正在生長的農作物，促進農作物的光合作用，從而提高農作物的產量和品質。例如，用激光照射黃瓜秧和西紅柿秧，秧子上的花數(shù)和果數(shù)都有增加，產量得到提高，果實里的糖分和維生素含量增加，品質顯著改善。 人們還利用激光研究農作物病蟲害的防治。激光成為人們捕殺害蟲和消滅病蟲害的得力助手。人們利用激光向雜草開刀，除掉雜草，為禾苗出氣，為禾苗助長。采用激光滅蟲除草方法，比采取化學滅蟲除草優(yōu)越，防止了化學藥物對大氣、水源和土地的污染，而且不污染糧食、蔬菜和水果。激光是一種高效而清潔的滅蟲除草方法。 激光在農副產品的儲藏和保鮮方面，在對

18、農作物收獲進行預報和估產及其他方面，都有用武之地。激光在實現(xiàn)科學種田和農業(yè)現(xiàn)代化方面，將發(fā)揮越來越大的作用。 7激光在環(huán)境方面的應用(laser) 利用激光繪制災害圖。激光測距儀向目標發(fā)射一束對人眼平安的激光束，以測量目標的距離和方位角。照到目標后再返回激光器，附在激光器上的計算機隨即進行必要的運算。假設將該激光測距儀跟一臺全球定位系統(tǒng)相聯(lián)，衛(wèi)星接收器就會隨時告訴操作人員所在的位置。系統(tǒng)操作人員可將激光器瞄準風暴災害處，激光器將距離和范圍內的信息送到全球定位系統(tǒng)，繪出災害圖，然后可迅速派遣有關人員前往救災。另一套運行系統(tǒng)同記錄計算機相連，操作人員能飛到鄰域上空，將激光器對淮受災地面建筑物，迅速

19、繪出地圖，可估計受損財產的價值。 激光檢測大氣含量，采用柏林自由大學的激光雷達對城市煙霧或酸雨進行了三維監(jiān)視，已經測量出氧化亞氮、二氧化氮、二氧化硫，以及臭氧含量的兩維和三維圖。已經成功地繪出行星邊界層海拔4km上下的水蒸氣輪廓圖，滿足了氣象應用的需要。姬窗體底部窗體底部神奇的量子信息技術 窗體頂部 量子特性在提高運算速度、確保信息平安、增大信息容量和提高檢測精度等方面可能突破現(xiàn)有經典信息系統(tǒng)的極限一個250量子比特由250個原子構成的存儲器，可能存儲的數(shù)達2250,比現(xiàn)有的宇宙中全部原子數(shù)目還要多用量子搜尋算法攻擊現(xiàn)有密碼體系，經典計算需要1000年的運算量，量子計算機只需小于4分鐘的時間量

20、子密鑰體系采用量子態(tài)作為信息載體，其平安性由量子力學原理所保證基于量子隱形傳態(tài)過程，可以實現(xiàn)多端分布運算，構成量子因特網薛定諤“貓佯謬 量子力學的誕生深刻地改變了人類社會：在20世紀推動了社會開展的核能、激光、半導體等高科技，都是源于量子力學。然后，自然界是否確實按照量子理論的規(guī)律運行？以愛因斯坦為代表的一方始終認定量子力學不是完備的理論，“上帝是不會玩骰子的，而以哥本哈根學派領袖玻爾為代表的另一方那么堅信量子理論的正確性。 量子客體的波粒兩象性迫使人們不得不引入波函數(shù)量子態(tài)來描述量子客體的狀態(tài)，著名物理學家費曼曾指出：量子力學的精妙之處在于引入幾率幅即量子態(tài)的概念。事實上，量子世界的千奇百怪

21、的特性正是起源于這個量子態(tài)，而關于量子理論的長期劇烈爭論的焦點也在這個量子態(tài)。在近百年的學術爭論中，影響最大的就是薛定諤1935年提出的所謂“薛定諤貓佯謬和愛因斯坦等人1935年提出的EPR佯謬。 薛定諤設想在一個封閉盒子里面有個放射源，它在每一秒時間內以12幾率放射出一個粒子。換句話說，按照量子力學的疊加性原理，一秒鐘后體系處于無粒子態(tài)和一個粒子態(tài)的等幾率幅疊加態(tài)。一旦粒子發(fā)射出來，它將通過一個巧妙的傳動機構將毒藥瓶翻開，毒氣釋放后會導致盒子里面的一只貓立刻死亡。當然，如果無粒子的發(fā)射，這一切均不會發(fā)生，貓仍然活著?，F(xiàn)在要問：一秒鐘后盒子里的貓是死還是活？既然放射性粒子是處于零和1的疊加態(tài)，

22、那么這只貓理應處于死貓和活貓的疊加態(tài)。這只似死似活、半死半活的貓就是著名的“薛定諤貓。 在這個假想實驗中，拋掉“貓這個形象表征之外，薛定諤想要闡述的物理問題是：微觀世界遵從量子疊加原理，那么，如果自然界確實按照量子力學運行的話，宏觀世界也應遵從量子疊加原理。薛定諤的實驗裝置巧妙地把微觀放射源與宏觀的貓聯(lián)接起來，最終誕生出這只可笑的薛定諤貓，結論似乎否認了宏觀世界存在有可以區(qū)分的量子態(tài)的疊加態(tài)。然而，隨著量子光學的開展，人們研制各種制備宏觀量子疊加態(tài)的方案，1997年科學家終于在離子阱中觀察到這種“薛定諤貓態(tài)。薛定諤的問題還可以進一步擴展為：宏觀世界中是否存在有量子效應？事實上，大量實驗事實都肯

23、定地答復了這個問題。最近幾年引起廣泛興趣的玻色愛因斯坦凝聚的實驗研究進展更有力證實了宏觀量子效應?！?E PR佯謬在近60多年的量子力學的開展中起著重要的推動作用，它是愛因斯坦用來與玻爾做最重要一次爭論的假想實驗，這個實驗所預示的結果完全遵從量子力學原理，但卻令人難以接受。設想有一對總自旋為零的粒子稱為 E PR對，兩個粒子隨后在空間上分開，假定粒子 A在地球上，而粒子 B在月球上。量子力學預言，假設單獨測量 A或 B的自旋，那么自旋可能向上，也可能向下，各自概率為12。但假設地球上已測得粒子 A的自旋向上，那么，月球上的粒子 B不管測量與否，必然會處在自旋向下的本征態(tài)上。愛因斯坦認定真實世界

24、絕非如此，月球上的粒子 B決不會受到地球上對 A測量的任何影響。因此，毛病來自量子力學理論的不完備性，即缺乏以正確地描述真實的世界。玻爾那么持完全相反的看法，他認為粒子 A和 B之間存在著量子關聯(lián)，不管它們在空間上分得多開，對其中一個粒子實行局域操作如上述的測量，必然會立刻導致另一個粒子狀態(tài)的改變，這是量子力學的非局域性。 姬這場爭論的本質在于：真實世界是遵從愛因斯坦的局域實在論，還是玻爾的非局域性理論。長期以來，這個爭論停留在哲學上，難以判斷“孰是孰非，直到 B ell基于愛因斯坦的隱參數(shù)理論而推導出著名的 B ell不等式，人們才有可能在實驗上尋找判定這場爭論的依據(jù)。法國學者首先在實驗上證

25、實了 B ell不等式可以被違背，支持了玻爾的看法。之后，隨著量子光學的開展，有更多的實驗支持了這個結論。1997年瑞士學者更直截了當?shù)卦?0公里光纖中測量到作為 E PR對的兩個光子之間的量子關聯(lián)。因此，現(xiàn)在我們可得出結論：量子力學是正確的起碼迄今完全與實驗事實相自洽；非局域性是量子力學的根本性質。現(xiàn)在這種由愛因斯坦等人在其佯謬中首先揭示的量子關聯(lián)效應常被稱為 E PR效應，它是非局域性的表達。 事實上，按照量子力學理論， E PR粒子對處在所謂的糾纏態(tài)上，這個量子態(tài)最大地違背 B ell不等式，有著奇特的性質：我們無法單獨地確定某個粒子處在什么量子態(tài)上，這個態(tài)給出的唯一信息是兩個粒子之間的

26、關聯(lián)這類整體的特性，現(xiàn)在實驗上已成功地制備這類糾纏態(tài)。自發(fā)參量下轉換的非線性光學過程所產生的孿生光子對就是在頻域、方向、偏振上形成糾纏的 E PR對，采用腔量子電動力學方法也已制備出原子糾纏態(tài)。 量子信息技術 量子特性在信息領域中有著獨特的功能，在提高運算速度、確保信息平安、增大信息容量和提高檢測精度等方面可能突破現(xiàn)有經典信息系統(tǒng)的極限，于是便誕生了一門新的學科分支量子信息科學。它是量子力學與信息科學相結合的產物，包括：量子密碼、量子通信、量子計算和量子測量等，近年來，在理論和實驗上已經取得了重要突破，引起各國政府、科技界和信息產業(yè)界的高度重視。人們越來越堅信，量子信息科學為信息科學的開展開創(chuàng)

27、了新的原理和方法，將在21世紀發(fā)揮出巨大潛力。 現(xiàn)有的經典信息以比特作為信息單元，從物理角度講，比特是個兩態(tài)系統(tǒng)，它可以制備為兩個可識別狀態(tài)中的一個，如是或非，真或假，0或1。在數(shù)字計算機中電容器平板之間的電壓可表示信息比特，有電荷代表1,無電荷代表0。一個比特的信息還可以用兩個不同的光偏振或原子的兩個不同能級來編碼。 量子信息的單元稱為量子比特 q ubit，它是兩個邏輯態(tài)的疊加態(tài)。 經典比特可以看成量子比特的特例。用量子態(tài)來表示信息是量子信息的出發(fā)點，有關信息的所有問題都必須采用量子力學理論來處理，信息的演變遵從薛定諤方程，信息傳輸就是量子態(tài)在量子通道中的傳送，信息處理計算是量子態(tài)的幺正變

28、換，信息提取便是對量子系統(tǒng)實行量子測量。 在實驗中任何兩態(tài)的量子系統(tǒng)都可以用來制備成量子比特，常見的有：光子的正交偏振態(tài)、電子或原子核的自旋、原子或量子點的能級、任何量子系統(tǒng)的空間模式等。信息一旦量子化，量子力學的特性便成為量子信息的物理根底，其主要的有：1量子態(tài)的疊加性：量子信息可以同時輸入或操作 N個量子比特的疊加態(tài)；2量子相干性：量子干預現(xiàn)象成為量子信息諸多特性的重要物理根底；3量子糾纏性： N大于1的量子比特可以處于量子糾纏態(tài)，對其中某個子系統(tǒng)的局域操作會影響到其余子系統(tǒng)的狀態(tài)；4量子不可克隆定理：量子力學的線性特性禁止對任意量子態(tài)實行精確的復制，這個定理和不確定性原理構成量子密碼術的

29、物理根底。 姬量子計算 量子比特可以制備在兩個邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，換句話講，它可以同時存儲0和1?？紤]一個 N個物理比特的存儲器，假設它是經典存儲器，那么它只能存儲2 N個可能數(shù)據(jù)當中的任一個，假設它是量子存儲器，那么它可以同時存儲2 N個數(shù)，而且隨著 N的增加，其存儲信息的能力將指數(shù)上升，例如，一個250量子比特的存儲器由250個原子構成可能存儲的數(shù)達2250,比現(xiàn)有的宇宙中全部原子數(shù)目還要多。 由于數(shù)學操作可以同時對存儲器中全部的數(shù)據(jù)進行，因此，量子計算機在實施一次的運算中可以同時對2 N個輸入數(shù)進行數(shù)學運算。其效果相當于經典計算機要重復實施2 N次操作，或者采用2 N個不同處理器實

30、行并行操作?？梢?，量子計算機可以節(jié)省大量的運算資源如時間、記憶單元等。 為開拓出量子計算機巨大的并行處理能力，必須尋找適用于這種量子計算的有效算法。 S hor于1994年發(fā)現(xiàn)第一個量子算法，它可以有效地用來進行大數(shù)因子分解。大數(shù)因子分解是現(xiàn)在廣泛用于電子銀行、網絡等領域的公開密鑰體系 R SA平安性的依據(jù)。采用現(xiàn)有計算機對數(shù) N二進制長度為 l ogN做因子分解，其運算步驟時間隨輸入長度 l ogN指數(shù)增長。迄今在實驗上被分解的最大數(shù)為129位，1994年在世界范圍內同時使用1600個工作站花了8個月時間才成功地完成了這個分解。假設用同樣計算功能來分解250位的數(shù)那么要用80萬年，而對于10

31、00位的數(shù)，那么要有1025年。 與此相反，量子計算機采用 S hor算法可以在幾分之一秒內實現(xiàn)1000位數(shù)的因子分解，而且操作時間僅隨輸入數(shù)的3次方增長。可見 S hor量子算法將這類“難解問題變成“易解問題。在量子計算機面前，現(xiàn)有公開密鑰 R SA體系將無密可保！ S hor的開創(chuàng)性工作有力地刺激了量子計算機和量子密碼術的開展，成為量子信息科學開展的重要里程碑之一。 1997年Grover發(fā)現(xiàn)了另一種很有用的量子算法，即所謂的量子搜尋算法，它適用于解決如下問題：從 N個未分類的客體中尋找出某個特定的客體。經典算法只能是一個接一個地搜尋，直到找到所要的客體為止，這種算法平均地講要尋找 N2次

32、，成功幾率為12,而采用Grover的量子算法那么只需要 Nkk次。例如，要從有著100萬個號碼的 本中找出某個指定號碼，該 本是以姓名為順序編排的。經典方法是一個個找，平均要找50萬次，才能以12幾率找到所要 號碼。 G rover的量子算法是每查詢一次可以同時檢查所有100萬個號碼。由于100萬量子比特處于疊加態(tài)，量子干預的效應會使前次的結果影響到下一次的量子操作，這種干預生成的操作運算重復1000即 N 次后，獲得正確答案的幾率為12。但假設再多重復操作幾次，那么找到所需 號碼的幾率接近于1。 Grover算法的用途很廣，可以尋找最大值、最小值、平均值等，也可以用于下棋。最有趣的是可有效

33、地攻擊密碼體系，如 D ES體系，這個問題的實質是從25671016個可能的密鑰中尋找一個正確的密鑰。假設以每秒100萬密鑰的運算速率操作，經典計算需要1000年，而采用Grover算法的量子計算機那么只需小于4分鐘的時間。難怪 G rover以“量子力學可以幫助在稻草堆中尋找一根針這樣的題目在 P RL上公布他的算法。 Feynman最先1981年指出，采用經典計算機不可能以有效方式來模擬量子系統(tǒng)的演化。我們知道，經典計算機與量子系統(tǒng)遵從不同的物理規(guī)律，用于描述量子態(tài)演化所需要的經典信息量，遠遠大于用來以同樣精度描述相應的經典系統(tǒng)所需的經典信息量。量子計算那么可以精確而方便地實現(xiàn)這種模擬。采

34、用少數(shù)量子比特的量子計算機可以進行有效的量子模擬，事實上人們已采用這種方法在簡單情況下預言了量子體系的行為。 一般地說，量子模擬可以按以下步驟來完成：根據(jù)所研究的量子體系的哈密頓量，設計出能夠實現(xiàn)相應的幺正變換的量子網絡；將 N量子比特按照要求制備為特定初態(tài)；操作計算機進行模擬運算。計算機的終態(tài)就是所需的量子態(tài)。因此，一旦人們有了量子模擬計算機，就無需求解薛定諤方程或者采用蒙特卡羅方法在經典計算機上做數(shù)值運算，便可精確地研究量子體系的特性。 有許多量子體系可以用這種方法來研究。例如：高溫高密度等離子體；采用格點標準理論描述的體系，如量子色動力學；晶體固態(tài)模型，包括諸如 H ubbard模型的固

35、體費米系統(tǒng)，其量子對稱性使得它們難以采用蒙特卡羅技術來模擬；固體模型，包括諸如高溫超導體的長程關聯(lián)；分子行為的量子模型等等。 然而，量子計算的實現(xiàn)在技術上遇到嚴重的挑戰(zhàn)。實現(xiàn)量子計算必須解決三個方面的問題：一是量子算法，它是提高運算速度的關鍵，目前已研究成功 S hor量子并行算法、 G rover量子搜尋算法等；二是量子編碼，它是克服消相干的有效方法，目前已有量子糾錯、量子避錯和量子防錯三種不同原理；三是實現(xiàn)量子計算的物理體系即多個量子比特的量子邏輯網絡，目前在腔 Q ED、離子阱、核磁共振、量子點等系統(tǒng)已實現(xiàn)少數(shù)量子比特，但距實現(xiàn)有效量子計算的需求相差甚遠。各國科學家正從不同途徑來探索實現(xiàn)

36、可擴展的量子邏輯網絡的方法，雖然不斷取得進展，在?自然?、?科學?上每年都有許多重要進展發(fā)表，但仍未根本上突破。這個領域仍處于根底性的探索階段。 量子密碼 現(xiàn)代保密通信原理是這樣的：假定甲和乙要進行保密通信。甲采用密鑰 K隨機數(shù)將她要發(fā)送給乙的明文通過某種加密規(guī)那么變換成密文，然后經由公開的經典信息通道傳送給乙，乙采用密鑰 K?通過適當?shù)慕饷芤?guī)那么將密文變換成為明文。這個過程如果能夠有效地防止任何非法用戶的竊聽，那就是平安的保密通信。 按照密鑰 K和 K?是否相同，密鑰系統(tǒng)可分為對稱密碼 KK?和非對稱密碼 KK?。數(shù)學上業(yè)已證明存在有不可破譯的對稱密鑰，即 V ernam密碼或一次性便箋式密

37、碼，它要求密鑰應與明文一樣長，而且僅能使用一次。這種體系需要用戶雙方擁有龐大的相同密碼隨機數(shù)，因此密鑰的傳送、保管等都極不平安，不宜廣泛使用。目前廣泛用于網絡、金融行業(yè)的是非對稱密碼，它是一種公開密鑰，加密和解密法那么、加密的密鑰 K均是公開的，只是解密的密鑰 K?不公開，只有接收者 B ob本人知道。這種密鑰的平安性基于大數(shù)因子分解這樣一類不易計算的單向性函數(shù)。數(shù)學上雖沒能嚴格證明這種密鑰不可破譯，但現(xiàn)在經典計算機幾乎無法完成這種計算。 姬S hor量子算法證明，采用量子計算機可以輕而易舉地破譯這種公開密鑰體系。這就對現(xiàn)有保密通信提出了嚴峻挑戰(zhàn)。解決這個問題的有效途徑是量子密碼術。量子密鑰體

38、系采用量子態(tài)作為信息載體，經由量子通道傳送，在合法用戶之間建立共享的密鑰經典隨機數(shù)。 量子密碼的平安性由量子力學原理所保證。竊聽者的根本策略有兩類：一是通過對攜帶著經典信息的量子態(tài)進行測量，從其測量的結果來獲取所需的信息。但是量子力學的根本原理告訴我們，對量子態(tài)的測量會干擾量子態(tài)本身，因此，這種竊聽方式必然會留下痕跡而被合法用戶所發(fā)現(xiàn)。二是避開直接量子測量而采量子復制機來復制傳送信息的量子態(tài)，竊聽者將原量子態(tài)傳送給乙，而留下復制的量子態(tài)進行測量以竊取信息，這樣就不會留下任何會被發(fā)現(xiàn)的痕跡。但是量子不可克隆定理確保竊聽者不會成功，任何物理上可行的量子復制機都不可能克隆出與輸入量子態(tài)完全一樣的量子

39、態(tài)來。 目前美、英、瑞士等國正致力于這方面的研究并在實驗上取得重要進展，已經在光纖上實現(xiàn)67公里的密鑰傳送，在自由空間中實現(xiàn)10公里的密鑰傳送。西方國家的目標是在近5年之內實現(xiàn)量子密碼實用化。目前在技術上遇到的主要困難是：如何增加量子密鑰傳輸距離。有待突破的重要關鍵技術：一是紅外1.3微米、1.5微米單光子探測器。這是因為光纖量子密鑰傳輸是采用單個光子來實現(xiàn)的，光纖損耗阻礙著傳輸距離的提高，1.3微米和1.5微米是現(xiàn)在所使用的光纖損耗最小的波長，現(xiàn)有成熟的單光子探測器工作波長在可見光，理論上光子在光纖中傳輸?shù)臉O限距離約為20公里。因此實用的紅外單光子計數(shù)器成為關鍵性問題，二是單光子光源，現(xiàn)在量

40、子密碼研究中所使用的單光子光源是將相干光脈沖衰減到平均每個脈沖只有0.1 0.2個光子，這是一種近似的單光子源，其效率低，既影響量子密鑰的傳輸距離，又影響其平安性，因為這種光源有可能在一個脈沖中同時出現(xiàn)兩個光子。因此研制真實的單光子源成為量子密碼研究的另一個關鍵性問題。美國、日本、西歐正在大力開展這些關鍵技術的研究，最近在?自然?、?科學?上也報導了一些重要進展，但仍未獲得根本上的突破。 量子通信 在科幻電影或神話小說中，常常有這樣的場面：某人突然在某地消失掉，其后卻在別的地方莫明其妙地顯現(xiàn)出來。從物理學角度，人們可以這樣地想象隱形傳送的過程：先提取原物的所有信息，然后將這個信息傳送到接收地點

41、，接收者依據(jù)這些信息，選取與構成原物完全相同的根本單元如原子，制造出原物完美的復制品。遺憾的是，量子力學的不確定性原理不允許精確地提取原物的全部信息，這個復制品不可能是完美的。因此長期以來，隱形傳物只不過是種夢想而已。 1993年Bennet等在PRL上發(fā)表一篇開創(chuàng)性的論文，提出量子隱形傳態(tài)的方案：將某個粒子的未知量子態(tài)即未知量子比特傳送到另一個地方，把另一個粒子制備到這個量子態(tài)上，而原來的粒子仍留在原處。其根本思想是：將原物的信息分成經典信息和量子信息兩局部，它們分別經由經典通道和量子通道傳送給接收者。經典信息是發(fā)送者對原物進行某種測量而獲得的，量子信息是發(fā)送者在測量中未提取的其余信息。接收

42、者在獲得這兩種信息之后，就可制造出原物量子態(tài)的完全復制品。這個過程中傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而不是原物本身。發(fā)送者甚至可以對這個量子態(tài)一無所知，而接收者是將別的粒子甚至可以是與原物不相同的粒子處于原物的量子態(tài)上。原物的量子態(tài)在此過程中已遭破壞。 姬量子隱形傳態(tài)的原理是這樣的：假設甲手頭有一個粒子 A處于未知量子態(tài)，她希望將這個量子態(tài)即一個量子比特的量子信息送給遠處的乙，但不傳送作為信息載體的粒子 A本身。甲和乙事先需要共享 E PR粒子對 B和 C即糾纏粒子，由于 E PR粒子對具有量子關聯(lián)特性，假設對其中一個粒子進行局域操作包括測量，另一個粒子的量子態(tài)立即發(fā)生相應的變化，因此 E PR粒子

43、對構成甲和乙之間的一條量子通道。甲對她手頭上的糾纏粒子 B和量子信息載體 A實施一種所謂的 B ell態(tài)測量，這個測量可能輸出4種結果，每種測量結果的幾率為14,但一次測量只能給出其中一個結果。甲測量到其中一個 B ell態(tài)后，獲得2比特的經典信息，當然這個信息完全無法用來確定未知的量子比特，甲將測量結果即獲得那一個 B ell態(tài)經由經典通道傳遞給乙，乙手頭的糾纏粒子 C會因甲的測量坍縮到相應的量子態(tài)上，于是乙在獲知甲的測量結果之后，對粒子 C做相應的操作，便可以使粒子 C處在與粒子 A原先未知量子態(tài)完全相同的量子態(tài)上，這就完成了粒子 A的未知量子態(tài)的量子隱形傳送，此時量子信息的載體是粒子 C

44、，在這過程中甲和乙都不知道他們所傳送的量子比特是什么。 這種量子信息的隱形傳送是否是超光速的傳輸？由于在此過程中經典通信是必不可少的，單靠量子通道無法實現(xiàn)這種隱形傳態(tài)，因此，此過程不會違背光速最大原理。這個過程是否違背量子不可克隆定理？沒有，事實上，在甲施行量子測量時，粒子 A的量子態(tài)必定被破壞而變成另一狀態(tài)，因此，這個過程可以看作是未知量子比特在甲處消失掉，而在乙處重新出現(xiàn)，這不是量子克隆的過程，而是量子信息的傳輸過程。 1997年年底奧地利研究組首先在實驗上演示成功這種量子隱形傳態(tài)，論文發(fā)表在?自然?上，引起國際學術界的極大興趣。在這之后，有假設干研究組相繼在實驗上實現(xiàn)了這種量子隱形傳態(tài)。

45、 量子隱形傳態(tài)所傳送的是量子信息，它是量子通信最根本的過程。人們基于這個過程提出實現(xiàn)量子因特網的設想。量子因特網是用量子通道來聯(lián)絡許多量子處理器，它可以同時實現(xiàn)量子信息的傳輸和處理。相比于現(xiàn)在經典因特網，量子因特網具有平安保密特性，可實現(xiàn)多端的分布計算，有效地降低通信復雜度等一系列優(yōu)點。目前學術界正在致力于研究量子通信網絡的關鍵技術，如高亮度糾纏源、糾纏操作和純化、量子中繼和量子處理器等，并不斷地取得重要的進展。相信在不久的將來，一種新穎的通信方式將會展現(xiàn)在人們的面前，發(fā)揮出奇特的作用。 窗體底部窗體底部科技新領域需要納米技術 窗體頂部 目前很多專家認為，以下各個領域將因納米技術而得益： 1、

46、電子和通訊：用納米薄層和納米記錄點的全媒體存儲器；平板顯示器；全頻道通訊工程和計算機用的器件。美國軍方提出的初期指標是：在室溫下，比現(xiàn)有的器件運算速度大10100倍，信息存儲密度大5100倍，能耗小50倍。將來那么要求存儲密度和運算密度都要比現(xiàn)在大36個數(shù)量級，且廉價而節(jié)能。 2、納米醫(yī)療：新的納米結構藥物；可到達身體指定部位的藥物傳送系統(tǒng)；有生物相容性的器官和血液代用品；家用早期病情自診斷系統(tǒng)；骨頭和組織的自生長材料。 3、化學和材料：提高化工廠燃燒效率，減少汽車污染的催化劑；超硬但不脆裂的鉆頭及切削工具；用于真空封接和潤滑的智能磁性液體；化學生物載體的探測器和解毒劑。 4、能源：新型電池；

47、使用人工光合作用的清潔能源；量子阱式太陽能電池；氫燃料的平安存儲。 5、制造工業(yè)：基于新型顯微鏡和測量儀器的微細加工；新的操縱原子的工具和方法；滲有納米粒子的塊狀材料；使用納米粒子的化學機械磨削。 6、飛機和汽車：由納米粒子加強的輕質材料；由納米粒子加強的輪胎耐磨且可直接再生；無須洗滌的外殼油漆；廉價的不燃塑料；有自修補功能的涂層和纖維。 7、航天：輕型航天器；經濟的能量發(fā)生器和控制器；微型機器人。 8、環(huán)境保護：工業(yè)廢物處理；廉價的海水除鹽膜；由原子或分子做起的無切削、無化學處理的工藝，可減少材料消耗和環(huán)境污染。 目前很多專家認為，以下各個領域將因納米技術而得益：1、電子和通訊：用納米薄層和

48、納米記錄點的全媒體存儲器；平板顯示器；全頻道通訊工程和計算機用的器件。美國軍方提出的初期指標是：在室溫下，比現(xiàn)有的器件運算速度大10100倍，信息存儲密度大5100倍，能耗小50倍。將來那么要求存儲密度和運算密度都要比現(xiàn)在大36個數(shù)量級，且廉價而節(jié)能。2、納米醫(yī)療：新的納米結構藥物；可到達身體指定部位的藥物傳送系統(tǒng)；有生物相容性的器官和血液代用品；家用早期病情自診斷系統(tǒng)；骨頭和組織的自生長材料。3、化學和材料：提高化工廠燃燒效率，減少汽車污染的催化劑；超硬但不脆裂的鉆頭及切削工具；用于真空封接和潤滑的智能磁性液體；化學生物載體的探測器和解毒劑。4、能源：新型電池；使用人工光合作用的清潔能源；量

49、子阱式太陽能電池；氫燃料的平安存儲。5、制造工業(yè)：基于新型顯微鏡和測量儀器的微細加工；新的操縱原子的工具和方法；滲有納米粒子的塊狀材料；使用納米粒子的化學機械磨削。6、飛機和汽車：由納米粒子加強的輕質材料；由納米粒子加強的輪胎耐磨且可直接再生；無須洗滌的外殼油漆；廉價的不燃塑料；有自修補功能的涂層和纖維。7、航天：輕型航天器；經濟的能量發(fā)生器和控制器；微型機器人。8、環(huán)境保護：工業(yè)廢物處理；廉價的海水除鹽膜；由原子或分子做起的無切削、無化學處理的工藝，可減少材料消耗和環(huán)境污染。窗體底部窗體底部神奇的激光 窗體頂部 1.什么是激光 “激光一詞在英文里是“LASER，是“Light Amplifi

50、cation by Stimu Iatad Emission of Radiation的縮寫，意為“受激發(fā)射的輻射光放大。1964年按照我國著名科學家錢學森建議將“光受激發(fā)射改稱“激光。 激光，是一種嶄新的光源，是由激光器產生的一種光。激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大創(chuàng)造。激光是在有理論準備和生產實踐迫切需要的背景下應運而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快開展，激光的開展不僅使古老的光學科學和光學技術獲得了新生，而且導致整個一門新興產業(yè)的出現(xiàn)。激光可使人們有效地利用前所未有的先進方法和手段，去獲得空前的效益和成果，從而促進了生產力的開展。 那么，激光到底是什

51、么呢？還是讓我們來對此認識一番吧！激光雖帶有“光字，然而，它卻和普通的光截然不同。那么，激光和普通光到底有什么不同呢？ 第一，激光是一種顏色最單純的光。太陽光和電燈光看起來似乎是白色的，但當讓它通過一塊三棱鏡的時候，就可以看到紅、橙、黃、綠、藍、青、紫七種顏色的光，其實，還含有我們看不見的紅外光和紫外光。激光的顏色非常單純，而且只向著一個方向發(fā)光，亮度極高。 第二，激光的方向性好。在發(fā)射方向的空間內光能量高度集中，所以激光的亮度比普通光的亮度高千萬倍，甚至億萬倍。而且，由于激光可以控制，使光能量不僅在空間上高度集中，同時在時間上也高度集中，因而可以在一瞬間產生出巨大的光熱，成為無堅不摧的強大光

52、束。平時，我們見到的燈光，都是向四面八方發(fā)光，就好似電影院散場后，大家前前后后地向著四面八方以不同步伐走出來。翻開室內的電燈，整個房間都照亮了。又如，翻開手電筒，在發(fā)出的部位，直徑不過35厘米，待射到幾米之外后，就擴展成一個很大的光圈。這說明，光在傳播中發(fā)散了。 然而，激光卻不同，它是大量原子由于受激輻射所產生的發(fā)光行為。激光在傳播中始終像一條筆直的細線，發(fā)散的角度極小，一束激光射到38萬千米外的月球上，光圈的直徑充其量只有2千米左右。就好比電影院散場后，大家排著隊朝著一個方向，邁著相同大小的步伐，隨著“一、二、一的口令，整整齊齊地前進。 第三，激光亮度最高。太陽是人類共有的自然光源，整個世界

53、沐浴在明亮的陽光之下。太陽外表的亮度比蠟燭大30萬倍，比白熾燈大幾百倍。激光的出現(xiàn)，更是光源亮度上的一次驚人的飛躍。 一臺普通的激光器的輸出亮度，比太陽外表的亮度大10億倍。從地球照到月亮上在反射回來也不成問題?？梢娂す馐钱斀袷澜缟细吡炼鹊墓庠础?第四，激光還可以具有很大的能量，用它可以容易地在鋼板上打洞或切割。在工業(yè)生產中，利用激光高亮度特點已成功地進行了激光打孔、切割和焊接。在醫(yī)學上、利用激光的高能量可使剝離視網膜凝結和進行外科手術。在測繪方面，可以進行地球到月球之間距離的測量和衛(wèi)星大地測量。在軍事領域，激光能量提高，可以制成摧毀敵機和導彈的光武器。 2.激光器 激光是在1960年正式問世

54、的。但是，激光的歷史卻已有100多年。確切地說，遠在1893年，在波爾多一所中學任教的物理教師布盧什就已經指出，兩面靠近和平行鏡子之間反射的黃鈉光線隨著兩面鏡子之間距離的變化而變化。他雖然不能解釋這一點，但為未來創(chuàng)造激光發(fā)現(xiàn)了一個極為重要的現(xiàn)象。 1917年愛因斯坦提出“受激輻射的概念，奠定了激光的理論根底。1958年美國科學家肖洛和湯斯發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象：當他們將閃光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發(fā)出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。由此他們提出了“激光原理，受激輻射可以得到一種單色性、亮度又很高的新型光源。1958年，貝爾實驗室的湯斯和肖洛發(fā)表了關于激光器的經典論文，奠定了

55、激光開展的根底。1960年，美國人梅曼(T. H. Maiman)創(chuàng)造了世界上第一臺紅寶石激光器。梅曼利用紅寶石晶體做發(fā)光材料，用發(fā)光度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源，獲得了人類有史以來的第一束激光。1965年，第一臺可產生大功率激光的器件-二氧化碳激光器誕生。1967年，第一臺射線激光器研制成功。1997年，美國麻省理工學院的研究人員研制出第一臺原子激光器。 激光器的種類很多，可分為固體、氣體、液體、半導體和染料等五種類型： 1固體激光器一般小而鞏固，脈沖輻射功率較高，應用范圍較廣泛。 2半導體激光器體積小、重量輕、壽命長、結構簡單，特別適于在飛機、軍艦、車輛和宇宙飛船上使用。半導體激光器可以通過

56、外加的電場、磁場、溫度、壓力等改變激光的波長，能將電能直接轉換為激光能，所以開展迅速。 3氣體激光器以氣體為工作物質，單色性和相干性較好，激光波長可達數(shù)千種，應用廣泛。氣體激光器結構簡單、造價低廉、操作方便。在工農業(yè)、醫(yī)學、精密測量、全息技術等方面應用廣泛。氣體激光器有電能、熱能、化學能、光能、核能等多種鼓勵方式。 4以液體染料為工作物質的染料激光器于1966年問世，廣泛應用于各種科學研究領域?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)的能產生激光的染料，大約在500種左右。這些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它們還可以包含在有機塑料中以固態(tài)出現(xiàn)，或升華為蒸汽，以氣態(tài)形式出現(xiàn)。所以染料激光器也稱為“液體激光器。染料

57、激光器的突出特點是波長連續(xù)可調。燃料激光器種類繁多，價格低廉，效率高，輸出功率可與氣體和固體激光器相媲美，應用于分光光譜、光化學、醫(yī)療和農業(yè)。 5紅外激光器已有多種類型，應用范圍廣泛，它是一種新型的紅外輻射源，特點是輻射強度高、單色性好、相干性好、方向性強。 6X射線激光器在科研和軍事上有重要價值，應用于激光反導彈武器中具有優(yōu)勢；生物學家用X射線激光能夠研究活組織中的分子結構或詳細了解細胞機能;用X射線激光拍攝分子結構的照片,所得到的生物分子像的比照度很高。 7化學激光器 有些化學反響產生足夠多的高能原子，就可以釋放出大能量，可用來產生激光作用。8自由電子激光器 這類激光器比其他類型更適于產生

58、很大功率的輻射。它的工作機制與眾不同，它從加速器中獲得幾千萬伏高能調整電子束，經周期磁場，形成不同能態(tài)的能級，產生受激輻射。 世界第一臺自由電子激光器于1977年問世，中國第一臺自由電子激光器于1985年問世。自由電子激光器的能量是由外場加速后的自由電子的動能轉換而成的。其輸出功率可達很高水平，在加工、反導、雷達、通信、光化學等方面都有很大的用途，所以它一問世就受到各國科技界的重視。 美國 電報公司貝爾實驗室的研究人員于1992年研制出當時世界上最小的固體激光器它在掃描電子顯微鏡下看起來就像一個個微型圖釘，其直徑只有2至10微米。在一個大頭針的針頭上，可以裝下1萬個這樣的新型半導體激光器。19

59、90年美國研制成功畸變量子阱激光器，開關速度達280億次/秒，這是激光器有史以來到達的最高速度。 1992年日本推出一種高輸出半導體激光器，特點是效勞壽命長，在室溫下可連續(xù)工作5000小時。 3.激光技術誘人的前景 (1)創(chuàng)造一個新太陽 做飯、取暖要燒煤，汽車、飛機要用油，照明、家電設備和開動機器都需要電、煤、石油、天然氣等礦物燃料及各種發(fā)電手段，熱電、水電、核電是人類生存和社會進步不可缺少的能源。 原子能是最富魅力的新能源。原子能的利用，可以分為兩類：一類是利用中子轟擊鈾原子核，使鈾核分裂成為兩塊，釋放出裂變能；另一類是使氫的兩種同位素氘和氚核聚合在一起，釋放出聚變能。核聚變反響釋放出的能量

60、要比核裂變反響釋放出的能量大得多。核裂變反響可以用于制造原子彈，也可以用于建造核電站。 核聚變并不陌生：氫彈爆炸就是一種核聚變反響。但是，氫彈爆炸的巨大能量是在一瞬間釋放出來的。氫彈爆炸式的核聚變反響，簡直就是無羈的“核野馬，一發(fā)而不可收拾。這種核聚變產生的能量是人力無法控制、無法應用的。那么，怎樣才能使“核野馬馴服，使它在人的控制下老老實實地工作呢？科學家們的目標是：實現(xiàn)受控核聚變。 用什么來“點火怎樣才能滿足受控熱核聚變的條件呢？人們想到了強磁場、電子束、離子束等種種方法，但最有希望的要數(shù)高功率激光了。高功率激光技術是實現(xiàn)激光受控核聚變的關鍵，各國科學家都在這方面傾注全力攻堅。 受控核聚變