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中华学生百科全书-第171部分
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科学家还想利用可以分别调出蓝紫色激光和橘红色激光的可调染料激光器，
把诊断和治疗结合在一起。
激光电脑的巨大潜力
电子计算机，是于本世纪 40 年代出生的。此后不久，科学家们便开始研
制光计算机。电子计算机是以电子输送信息，而光计算机是以光子输送信息。
激光器问世后，科学家们自然而然地想到使用光元素器件来制造光计算
机。可是，设计和进展缓慢，一直没有结果。于是，当时世界上的光学权威，
美国斯坦福大学的卓泽夫。古德曼教授认为，以最乐观的估计，光计算机的
诞生也要迟至 21 世纪。
1986 年，美国有名的贝尔实验室发明了用砷化镓制成的光学开关。当
然，这种开关不是我们日常使用的机械式扳动开关或揿钮式开关，这种开关
实质上是用光脉冲来控制仪器工作或休息的装置。
1990 年 1 月底，贝尔实验室向大家展示了一台用光脉冲来计算的实验装
置。尽管这台装置跟普通电子计算机中的简单程序处理器一样，但它的问世
毕竟说明光计算机的研究，已向前迈进了一大步。
电子计算机自诞生后，发展速度是非常快的。由于结构日趋复杂化和高
度集成化，于是出现了一系列难以克服的问题。
第一个问题是，尽管在电子元器件中传输的是很弱的电流，但随着元器
件的高度密集，不仅工作时产生的热量会急剧增加，而且相邻的元件也会彼
此干扰。
第二个问题是，电子计算机的元器件中，电子的运动速度约为每秒 60
千米。即便是在砷化镓器件中，电子的运动速度也不会超过每秒 500 千米。
也就是说，电子在导体中最快的运动速度也不及光子流运动速度的 10％，这
就大大限制了运算速度的提高。而且，当电子计算机的工作频率超过 100 兆
赫，或每秒转换（运算）1 亿次时，还会出现一些不正常的情况。
第三个问题是，由于计算机的结构和功能日趋复杂化，组成运算电路的
电子元件也日益增多。为了在有限的面积上容纳下更多的元件，人们早就将
许许多多元件密集起来，做成一个个小方块。这类方块就叫集成块，或叫集
成电路。每个集成块是通过身上的插脚，固定在位置上，并与整个电路相连
的。超大规模集成块的插脚数目是很多的，而且越来越多，目前最多的已有
300 只插脚。若于年后，也许会出现有上千个插脚的集成块，它们会占据很
大的地盘，以致腾不出足够的宅基来安排它们。
随着巨型计算机的出现，这些问题会日益严重。而要解决这些问题，只
有将综合功能性的计算机装置逐一分解成许多功能单一的装置，然后再用专
门的联接装置将它们一个个地连接起来，但这样一来，计算装置就会变得更
加复杂化。
如果用激光计算机，就不存在这些棘手的问题了。在光脑中，输送信息
的是光子，运动速度相当于光速度（每秒 30 万千米），要比电子运动速度快
得多。而且，光子携带和传递信息的能力也远远强于电子。
目前，美国、日本的不少公司都在不惜巨资研制激光计算机。预计在最
近 10 年内，将开发出超级光计算机，运算速度至少比现有的光计算机快 1000
倍。
以激光为基础的计算机能广泛地用来执行一些新任务，例如预测天气、
气候等一些复杂而多变的过程。再如，还可以应用在电话的传输上。因为电
话信号正在逐步由光导纤维中的激光束来传送，如果用光计算机来处理这些
信号，就不必再像现在这样，需要在电话局内将携带声音的光脉冲转变成电
脉冲，经电子计算机处理后再转换成光脉冲发送出去。即可以省掉光—电—
光的转换过程，直接将携带声音信号的光脉冲加以处理后发送出去，这样，
便大大提高了传送效率。
由于光计算机善于进行大量的运算，所以能高效地直接处理视觉形式、
声波形式，以及其他任何自然形式的信息。此外，它还是识别和合成语言、
图画和手势的理想工具。这样，光计算机就能以最自然的形式进行人机对话
和人机交流。
激光与照相——全息照片
所谓全息照相，就是将激光技术用于照相，在底片上记录下物体的全部
光信息，而不像普通照相仅仅是记录物体的某一面投影。因此当底片上的物
体重现时，在观看者的眼里显得异常逼真，它产生的视觉效应，完全与观看
实物时一模一样。
全息照相的原理，简单地说，主要利用了激光颜色纯这个特点。其实，
关于全息照相的理论早在 1947 年就由英国科学家伽波提出来。但直到亮度
高、颜色纯、相干性好的激光问世后，才真正拍摄出全息照相。
全息照相与立体照相是两回事。尽管立体彩色照片看上去色彩鲜艳、层
次分明，富有立体感，但它总归仍是单面图像，再好的立体照也代替不了真
实的实物。比如，一个正方形木块的立体照，不论我们怎样改变观察角度，
横看竖看，看到的只能是照片上的那个画面。但全息照就不同了，我们只要
改变一下观察角度，就可以看到这个正方块的六个方面。因为全息技术能将
物体的全部几何特征信息都记录在底片上，这也是全息照相最重要的一个特
点。
全息照相的第二个特点是能以一斑而知全貌。当全息照片被损坏，即使
是大半损坏的情况下，我们仍然可以从剩下的那一小半上看到这张全息照片
上原有物体的全貌。这对于普通照片来说就不行，即使是损失一只角，那只
角上的画面也就看不到了。
全息照的第三个特点是在一张全息底片上可以分层记录多幅全息照，而
且在它们显示画面时不会互相干扰。正是这种分层记录，使得全息照片能够
存储巨大的信息量。
全息照片为什么会有这样的一些特点？为什么普通照片没有这些特性
呢？这要从拍摄的原理谈起。
假如用一束激光照明一个微小颗粒。从小颗粒上反射出来的光波基本上
是不断向外扩大的球面波。我们向小颗粒看去，是明亮的一点。用照相机为
这小颗粒照相时，光波通过镜头在底片上形成一个亮点，这一点的亮度与小
颗粒反射出来的光强有关。照相底片可以记录下这一点的亮点，但记不下小
颗粒在三维空间的位置，印出来的照片上也只有一个亮点。看起来没有一点
立体感觉。拍摄全息照片时，不用照相镜头，而是把一束发出平面波的激光
和小颗粒反射出的球面波一起照到照相底片上。整个底片都受到光照，它记
录下的不是个亮点，而是一组同心圆，当同心圆间隔很小时，看起来，就像
是用刀把一个圆萝卜切成一片片薄片，叠在一起，成为一组同心环那样。底
片经冲洗后，放到原来的位置，再用拍摄时那束发出平面波的激光，以拍摄
时的角度照到底片上，我们可以看到原来放置微小颗粒的位置上有一个亮
点。注意！这个亮点在空间，而不是在底片上，我们看到的光就像是从这个
亮点发出来的。所以，全息照片记录下来的不仅是一个亮点，还包含亮点的
空间位置，或者说记下从亮点发出的整个光波。全部奥妙就在于这种新奇的
拍摄方法，在于这一束平行（平面波）激光束。这一激光束，我们称之为参
考光束。
因此，任何物体实际上都可以看成是无数个明暗不同的亮点组成的立体
图像。用上面的拍摄方法拍成的全息照片就是无数个同心圆组成的复杂图
形，看起来也是灰暗的一片。同样，这张全息照片不仅记录了物体各点的明
暗，还记下了各点的空间位置。当用参考光束照射冲洗后的底片时，我们看
到的光就像是从原物体上发出来的。所以，我们说它记录了有关物体发出的
全部光信息，全息照片的名称就是因此而得来的。不过激光全息照片只有在
激光照射下，眼睛看上去才有立体的形象，而激光器是一种价格较贵的设备，
一张照片要配备一架激光器，除了科研部门、专门的场所中有可能设置外，
要普遍、广泛地应用是不可能的。针对这个缺点。科学家不断研究，终于发
明了一种在白炽灯光下也能看到全息景象的全息照片。称为白光全息或彩虹
全息。
激光全息照的底片，可以是特种玻璃，也可以是乳胶、晶体或热塑等。
一块小小的特种玻璃，可以把一个大型图书馆的上百万册藏书内容全部存储
进去。
如果留心一下报纸上的照片，就能发现它们是由一个个小点子组成的。
每一个小点子叫做一个像素，它的密度大约是每平方毫米内有几个点。而全
息照相用的特种玻璃膜层厚约 10 微米，像点密度每平方毫米内在 2000 个点
以上。在这种底片上，每平方毫米的地方内，可以装下一张 310 平方厘米的
大照片。在一小块 5 毫米见方的薄膜上就能装下一本 200 页厚的图书。
全息照相机的发明，主要意义不在于照相，它作为激光技术的一个方面，
在工业、农业、科研等领域具有广泛的实用价值。
从照相方面讲，这是一种全新的技术。因为全息照片有逼真的立体感，
用它来代替普通照片有独特的效果。在国外，已有人用全息照片做成书的插
页，做成商标，做成立体广告；博物馆用它来代替珍贵文物展出。国外有一
家机床制造公司，到另一个国家开商品介绍会，就用全息照片代替实物办了
一个机床展览会。展览厅里全部是各种机床的全息照片，这些全息照片看起
来和真的机床并没有什么两样，反而更加引起参观者的兴趣。
构思精巧的全息照片也是一件精美绝伦的艺术品。美国和法国等国家都
有全息照片博物馆，集中了全世界最精美的作品。
全息照相还可以将珍贵的历史文物记录下来，万一有文物古迹遭到严重
破坏，即使荡然无存，我们仍然可以根据全息照相重建。比如像北京圆明园
那样的名胜，当年被八国联军焚毁，现在虽然打算重建，因为不知道整个面
貌，就难以完全恢复。如果全息照相提早 100 年发明的话，事情就好办了。
从立体景象的全息照片得到启发，科学家想到了全息电影和全息电视。
实验性的全息立体电影已经在前苏联出现。放映这种电影时，观众看到的景
象并不在银幕上，而是在观众之中，使人有身临其境的真实感觉。至于全息
电视，因为它涉及的技术问题比较复杂，目前还在研究。1982 年，德国的电
视台播送的立体电视，并不是激光全息电视，它的原理和普通立体电影一样，
观看时要戴一副特殊的眼镜。预计到本世纪末，电影和电视又要换代了；到
那时，人们的文化娱乐生活，可能会由于激光全景立体电影和激光立体电视
的出现而变得更加丰富多彩。
全息照相的另一项重要应用是制作可以在一些特殊场合代替玻璃的全息
光学元件。这种特殊的光学元件具有加工方便、小巧、轻、薄等优点。一个
凹透镜可以使光束发散，一束平行光波照上去变为球面波；我们前面谈到的
用小颗粒拍摄的全息照片也会把平行光参考光束变为球面波；这样的全息照
片也就是一个特殊的凹透镜。用类似的方法可以制作出凸透镜、柱面透镜等
光学元件。这种元件和纸一样薄，一样轻，还不会碎。现在已经有用全息光
学元件做成的望远镜，它的厚度和一般近视镜片差不多。还有人报道用全息
光学元件做成窗玻璃。这种奇异的窗玻璃不会影响人的视线，却能反射大量
的阳光，兼有窗帘的功能；更有趣的是，可以把它反射的阳光集中到装在窗
檐下的一排太阳能电池上，转化为电能，供室内使用，真是一举三得。
全息照相技术有明察秋毫的本领。因为全息照片能精确地再现原来被拍
摄的物体，我们可以用它作标准检查原物有没有变化；事实上只要有 1 微米
的变化，就可以用全息照相技术检查出来。科研生产部门，还让激光全息摄
影来担任成品内在质量的“检验员”。检验时，给被检物加上一点压力或加
点热；如果物体内部有裂痕、微孔，它的表面就会发生相应的变化。尽管这
种变化的程度极为细微，肉眼根本无法觉察，但在全息摄影这对“火眼金睛”
下面，所有这些瑕疵、隐患，统统暴露无遗。这种方法除了可以精密地检查
内在质量外，还有对被检物丝毫无损的的优点，特别适用于贵重物品，例如
珍贵文物、古代雕塑品的检测。希腊科学家曾用这种方法查出古代塑像受风
化的程度。生产上用这种方式检查精密零件、飞机蒙皮、飞机轮胎的内在质
量。在国外的飞机轮胎工厂里，已经起用了激光全息照相“检验员”。这种
方法还被用来作生物学研究，比如研究脑壳受力时产生的形变，研究蘑菇的
生长速度等等。
还在发展当中的是全息存贮技术。我们在谈全息照相特点时提到过的存
贮信息，也就是记录信息的能力。从理论上计算，用光盘存贮信息，每平方
厘米可以存贮的信息约为 106位，而用全息存贮，每平方厘米可以存 108位，
高 100 倍！而且读出信息的时间只有百万分之一秒！
现在，已经可以把信息存到材料里面去，全息照相用的材料不是一薄层
底片，而是整个一块晶体可以存入 10 万册图书，一个图书馆只要保存几块记
录晶体就可以。这看来带有一点幻想色彩，然而是有希望做到的。更重要的
是全息存贮的发展将会促进计算机的发展、换代。
一般的全息照片，只能一张一张制作，价格也很高；除了科研上的使用
以外，只能当作高级艺术品。80 年代出现了一种新的压印全息技术。用这种
方式制造全息照片，先要做成一块金属的微浮雕板；把它当作印板，在镀有
金属膜的特殊纸张上压出全息照片。这比印邮票还要方便，可以大批生产，
成本大大降低，应用面也越来越广。
这种全息照相不仅有立体感；在阳光或灯光下呈现多种色彩，衬在银白
色的金属背景上，显得更为绚丽。人们用它来装饰书刊、玩具、旅游纪念品，
很具魅力。
这种全息照相也包含着丰富的信息，而且完全取决于制作时采用的景物
和拍摄方式，就像加了密码一样。没有原始印版，无法复制。因而，它成为
防止伪造的有效手段。已经在纸币、信用卡、磁卡及外交签证等凭证上出现
各种全息标识以防伪造。在我国，也已有不少厂商采用全息照相商标来防止
有人伪造商标，欺骗顾客。
值得一提的是，全息照相这项重大技术成就，却是在与普通摄影毫不相
干的科研领域内发明的。发明者加伯研究这一课题的目的是想要提高电子显
微镜的分辨率。他设计了这种新的成像方法，并于 1948 年公开发表在科学杂
志上。但是，当时没有激光这样好的单色光，技术上也有一些困难，加伯并
没有取得成效，他的论文也没有人重视。
直到十多年后的 1964 年，因为出现了激光器这种理想的光源，全息照相
技术才开始发展起来。很快，全息照相术便成为一种用途十分广泛，并且具
有无限发展潜力的新技术。加伯因为首创全息照相的理论，荣获 1971 年诺贝
尔物理学奖。他本人由此而被世界公认为“全息照相之父”。
激光艺术宫
在全息立体显示中，激光和艺术开始发生关系，互相渗透。1970 年前后，
激光大摇大摆地进入艺术之宫了。它进入了音乐、歌舞、电影、雕刻、绘画、
摄影等艺术领域；它以出类拔萃的“特技”紧紧地扣住了艺术家的心弦；它
与艺术的结合，甚至产生了新颖的“激光艺术”。
1973 年，美国洛杉矶天文馆的天象厅里，举办了一场“激光音乐会”。
场内用人工天象放映机在天棚上映出月亮、星星。伴着优美的乐声，空间出
现了瑰丽多彩、瞬息万变、富有幻想色调的激光图案。它们所具有的独特艺
术魅力，给观众留下了久久不能忘怀的印象，就像游历了一个神话中的艺术
宫一样。
激光音乐会演出获得成功后，群起仿效。英美两国的艺术团都演出过激
光歌舞剧，日本国家管弦乐队也运用了激光产生的幻象背景来增强演出效
果。法国的激光电子音乐还到我国来作过短期演出，整台表演全部用电子计
算机控制。1993 年春节，上海电视台播出的“群星璀璨电视歌舞晚会”中，
激光布景大显身手，电视屏幕上出现了著名的歌星苏小明，随之而起的是《军
港之夜》抒情、优美的歌声。背景由变幻的云雾化为无边无际、波光闪闪的
大海，画面传出了歌词中的诗情，歌声里充满着天幕上的画意，情景交融，
把观众带入诗情画意之中。随着不同的歌声，激光背景又化为火光闪闪、硝
烟弥漫的战场，化为蒙蒙细雨，化为彩色群星化为飘动的轻纱……背景图案
明亮、艳丽、新奇、变幻，能加强歌声的感染力；音、光、色混为一体，美
妙无比，使人感到像在梦境中一般。
激光音乐会使用了世界上最亮的激光光源；发射蓝光、绿光、黄光的氩
离子激光器，发射红光的氪离子激光器，还有发射橘红色光的氦氖激光器，
发射蓝光的氦镉激光器，都在其中争奇斗艳。这些不同色彩的激光，通过旋
转着的凹凸花玻璃，就能产生变化不定的云雾、海浪之类的图案。进一步把
光束射到一面小镜子上，镜子一转动，反射出来的光点就画出一条线，再加
一面转动的镜子，光点就能在平面上画出各种几何图形。再进一步，用电脑
控制这两面小镜子，可以使激光束在空间画出各种复杂的图形；还能使这些
图形像动画片那样活动起来。
你看，几个三角形出现在天幕上，一旋转，化成了两只彩蝶，扑扑地飞
来飞去，眨眼间又化成了几个光点。两个小三角向上扩张着，化出了一只翅
膀，一个鸟头，又一只翅膀，噢，原来是一只企鹅！说话间，企鹅挥动着翅
膀，摆动着两只三角形的脚，啪哒、啪哒地朝前走，还能合着电子音乐的节
拍一摇一摆。这样的表演吸引许多孩子，连成年人也感到新奇。在这里，激
光束成了主要演员，而电脑充当了导演的角色。
法国一个演出队到上海来表演激光电子音乐，就是这种电脑控制的激光
束在空间和天幕上画出来的各种图案、文字，配上几个电子乐器奏出来的乐
曲构成的声、光立体画。给人印象最深的是明亮的蓝光、绿光束扫出来的方
形光柱。光柱渐渐收细，再慢慢扩张，好像空间也在一缩一张。忽然，喷雾
器喷现一阵阵烟雾，烟雾和激光柱混为一体，光柱扩张时，看起来好像波涛
在翻滚，又像黄山上的云海。演员从光柱中向观众走来，简直像是从碧波中
浮出来的。这样的表演加上节奏感强烈的电子音乐，使人觉得像是在仙境之
中。
这样的音乐会，可以说是用激光给音乐“染色”。有人称之为“有色音
乐”或“彩色幻想音乐”。科学家也发现，人眼在不同音调影响下，对颜色
会有不同的感觉。所以也可以说，用音乐为激光增色。在优美的音乐声中展
开激光画面，能使人对激光的色彩产生特殊的新鲜感，激起感情的共鸣，产
生神奇的幻觉。
激光道具、激光特技也开始在电影中应用，出现了激光手术刀和用激光
制作的特技镜头。
激光也开始成为艺术家手中的特殊“画笔”和“雕刻刀”。雕刻家已往
雕刻艺术品，不仅是一种创造美的形象思维活动，也是一种繁重的体力劳动。
雕刻家的工作室会不断传出凿子的声音。用激光“刀”就安静得多了，雕刻
家也可以省下许多精力，放到艺术创作上去。激光雕刻可以用绿松石、彩色
有机玻璃、彩色塑料等不太坚硬的材料，也可以用比较硬的彩色宝石。雕刻
家可以调节激光“刀”的强度，先用大功率激光雕刻出雏形，再用功率较小
的激光精雕细刻。因为激光“刀”用起来比钢凿自如得多，刻出来的形象也
更为逼真。
用具有关节的激光“刀”可以做得相当灵活，如用上光导纤维，就比一
般画笔更灵活了。艺术家尝试用激光“刀”在玻璃板上刻蚀作画。这种刀刻
蚀速度很快，也无需艺术家用力，所以作品的笔调特别流畅、明快。
各种激光雕刻机正在走向市场。艺术家的手笔通过雕刻机可以成批复
制，形似神似。几何图案的制作更是雕刻机的拿手戏。还有一种激光雕刻机
和计算机相结合，并和电视摄像机相联结。你坐在摄像机前，看着一个�
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