2015 年是國際光和光基技術年（IYL2015），也是在這一年，聯(lián)合國教科文組織執(zhí)行委員會簽署通過了將每年的 5 月 16 日設為“國際光日”的決定。
之所以選擇 5 月 16 日，是因為在 1960 年 5 月 16 日，美國物理學家梅曼制造出了人類歷史上的第一束激光。
梅曼和紅寶石激光器。
所以激光到底是什么？它又為啥這么重要呢？
要回答這兩個問題，我們就得好好了解一下梅曼這項工作的前因后果。
01
物體為什么會發(fā)光？
時間來到 1912 年，那時候的物理學家還在執(zhí)著于構成這個世界的基礎——原子，到底長啥模樣。
這一年，丹麥物理學家玻爾的三篇論文發(fā)表，在這三篇論文里，玻爾把量子理論運用在了盧瑟福的原子模型中，提出了著名的玻爾模型。
玻爾模型能解釋當時其他模型所不能解釋的現(xiàn)象，并且預測了一些之后通過實驗能夠證實的結果，因此之后得到科學界的普遍接受。
我們來看看這個玻爾模型，玻爾模型是一種行星模型，也就是說，帶負電的電子就像行星一樣圍繞著帶正電的原子核運動。
玻爾模型的精妙之處在于這些電子的軌道并不是隨便選擇的，而是只能選擇一些確定的數(shù)值。
氫原子的玻爾模型。
最里面的電子軌道被稱為基態(tài)，再外面一層的軌道就叫第一激發(fā)態(tài)，再外面就是第二激發(fā)態(tài)，以此類推。
玻爾模型就可以很好地解釋物體為啥會發(fā)光，我們可以注意到這些不同的軌道上的電子能量是不一樣的，不妨把這些軌道“展平”，這樣我們就得到了一些能級。自發(fā)輻射能級。
由于能量守恒的緣故，電子想從低能級躍遷到高能級去，就得從外界吸收對應的能量，這個過程我們就叫它受激吸收。同樣的，電子從高能級掉到低能級去，肯定也會放出相應的能量，事實證明，這個過程會發(fā)出一個光子，也就是說，電子會發(fā)光，所以這個過程被稱為自發(fā)輻射。
我們生活中常見的普通光源的發(fā)光原理就是自發(fā)輻射。
日光燈。
02
讓光“聽話”
自發(fā)輻射產(chǎn)生的光存在一些問題：原子中的能級很多，這些光子有可能是第一能級自發(fā)輻射產(chǎn)生的，也有可能是第三能級自發(fā)輻射產(chǎn)生的……
這就會導致這些光子的能量不一樣，而單個光子的能量就決定了光的頻率，也就是說，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光頻率是隨機的。
還有一點就是，自發(fā)輻射產(chǎn)生光子的時機，以及光子運動的方向也不受我們控制，這就會導致自發(fā)輻射產(chǎn)生的光，相位也是隨機的。
這里所講的頻率、相位都是光作為電磁波的一種屬性，頻率可以理解為光波振動的快慢，它也決定了我們看到光的顏色；相位可以理解為光波傳遞的位置。
光作為一種電磁波。
總之，普通光源產(chǎn)生的光就像是一堆擠地鐵的人，他們有老有少，有男有女，穿著不同顏色的衣服去坐地鐵，而且走得還不一樣快，有的已經(jīng)上車了，有的卻還在檢票。
這就導致普通光源雖然在生活照明上已經(jīng)足夠用了，但是在科研領域，尤其是研究光的性質上，戰(zhàn)斗力著實一般。
終于，在 1917 年，另一種發(fā)光方式浮出水面，那就是愛因斯坦提出的受激輻射理論。
受激輻射。
受激輻射理論就是說，現(xiàn)在假設第一激發(fā)態(tài)上有一個電子，這時候有一個光子打過來，而這個光子的能量恰好等于第一激發(fā)態(tài)和基態(tài)的差距，那么這個時候，第一激發(fā)態(tài)上的電子就會在“受到誘惑”的情況下完成自發(fā)輻射，放出一個“一毛一樣”的光子。
由于這個“誘惑光子”的存在，我們就稱這個過程為受激輻射。
如果在足夠多的高能級電子中，這個過程會一直延續(xù)下去，最終形成一大群被“誘惑”的光子，我們將這個過程稱為光放大過程，最重要的是，這些光子的相位和頻率是完全一樣的。就像是一支整齊劃一的部隊，和上面“擠地鐵”的自發(fā)輻射完全不一樣。
03
造一臺激光器總共分幾步？
第一步，粒子數(shù)反轉。
有了受激輻射理論之后，人們就在想，怎么才能利用這個理論，造一個能發(fā)出整齊劃一的光的光源呢？
可能會有讀者說，拿光照過去不就行了嗎？有什么難的呢？
有這樣疑問的讀者要注意前面提到的“足夠多”這三個字，而且不要忘了我們的受激吸收現(xiàn)象。
如果高能級電子不夠多，受激輻射的次數(shù)少于受激吸收的次數(shù)，這時候一束光打過來，并不會發(fā)射光放大，而是會被基態(tài)電子受激吸收，導致光損耗。
實際上，在自然情況下，基態(tài)電子數(shù)量要遠遠大于激發(fā)態(tài)電子，以室溫為例，一個二能級系統(tǒng)（也就是只有基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的能級系統(tǒng)）基態(tài)電子數(shù)量大概是激發(fā)態(tài)電子數(shù)量的 10 的 170 次方倍！
所以要想利用受激輻射原理制造一臺光源，首先要解決的問題就是使高能級的粒子數(shù)大于低能級的粒子數(shù)，也就是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。
怎么實現(xiàn)粒子數(shù)反轉呢？
基本的思路就是抽運，就像水泵一樣，把基態(tài)的粒子抽到高能態(tài)去。
說起來容易，做起來難。
水泵抽運粒子。
第二步，造一臺前身。
1951 年，美國物理學家湯斯想到了如何在氨分子中實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。
氨分子是二能級系統(tǒng)，在正常情況下是不可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的，因為受激吸收和受激輻射的概率是相同的，同時還有自發(fā)輻射存在，這就導致高能級的粒子數(shù)一定會少于基態(tài)粒子數(shù)。
湯斯的辦法非常巧妙，他利用磁場將基態(tài)和激發(fā)態(tài)的氨分子區(qū)分開來，單單挑出激發(fā)態(tài)的氨分子放到微波諧振腔里，在這個諧振腔里實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉。
三年之后，利用這個想法，湯斯造出了第一臺“MASER”。啥是 MASER 呢？
MASER的全稱為Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation，譯為“利用受激輻射對微波進行放大”。激光LASER的全稱為light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，譯為“利用受激輻射對光進行放大”。
上文我們提到光是一種電磁波，微波則是另一種電磁波。
電磁波可以按照頻率的大小來進行分類，微波的頻率在 300 MHz～300 GHz，而可見光頻率則是在 3.9～7.5 乘以 10 的 14 次方 Hz 之間。
從名字我們就能看出 MASER 和 LAZER 的不同，主要在于工作波段的不同，MASER 離 LASER 只有一步之遙了。
湯斯和第一臺MASER。
第三步，補全激光三大件。
MASER 的問世解決了粒子數(shù)反轉問題。短短三年時間，這項技術就突飛猛進，這時候大家都希望能夠趕緊更進一步，把這個微波放大器變成光放大器，造出那個夢想中的光源，也就是激光。
至此我們已經(jīng)能隱隱總結出組成激光器的三大部件了：
一是需要能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的物質，就像是氨分子，我們稱之為增益介質；二是合適的抽運方法，我們稱之為泵浦；三是上面提到湯斯用的諧振腔，至于諧振腔的作用我們后面再說。
1958 年，湯斯和肖洛合作寫了一篇理論文章，第一次從理論上預言了激光的可行性。此時對湯斯來說，可謂萬事俱備只欠東風！
結果大家也都知道了，湯斯本以為自己是借風的周瑜，沒想到卻成了被風騙了的曹操。1960 年 5 月 16 日，梅曼另辟蹊徑，捷足先登，制造出了人類歷史上的第一臺激光器。
關于梅曼如何捷足先登的故事，大家有興趣可以去了解一下，可謂一波三折非常精彩。不過我們這里還是把介紹重點放在他的紅寶石激光器上。
紅寶石激光器原理圖。
這個激光器非常清晰地展示了激光器的三大部件，我們就不妨依次介紹。
增益介質：
梅曼選擇的增益介質是紅寶石，也就是摻鉻的三氧化二鋁。
三能級系統(tǒng)示意圖。
這種增益介質是一種三能級系統(tǒng)，這種三能級系統(tǒng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的辦法，就比之前的二能級系統(tǒng)要簡單許多了。紅寶石的三能級系統(tǒng)有一些特別之處，我們通過它的抽運過程就能理解它是如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的。
首先通過合適的激勵把基態(tài)粒子直接運上 E3 能級，而 E3 能級和 E2 能級之間存在無輻射躍遷過程，也就是 E3 上的粒子會很快通過碰撞跑到 E2 上，減少的能量變成熱運動能量，而不是發(fā)光。
此外，E2 態(tài)是亞穩(wěn)態(tài)，就是 E3 能級上掉下來的粒子能在 E2 能級保持很長時間。這樣相當于利用 E3 能級作為一個過渡，把基態(tài)的粒子運到了 E2 上，讓這個過程一直進行下去，E2 的粒子數(shù)就會超過基態(tài)粒子數(shù)，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。
其實紅寶石激光器的效率很低，只有 0.1%，這是受增益介質的限制，因為三能級系統(tǒng)需要很高的能量把基態(tài)粒子抽運到高能態(tài)去。此外，這個激光器的波長為 694.3nm 也是由這種增益介質決定的。
隨著激光的發(fā)展，增益介質的種類逐漸增多，包括氣體、固體、液體、光纖、半導體等等，比如教室里常用的激光筆就是一種半導體激光器。
總之，不管哪種增益介質，它都要有能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的方法。
泵浦：
第一臺紅寶石激光器的泵浦燈。
梅曼的激光器最明顯的特征，就是它的泵浦光源是一個螺旋形的氙氣燈，螺旋形可以保證把紅寶石棒放在燈管之間。此外這個燈還是使用脈沖光來抽運，也就是它發(fā)出的光不是連續(xù)的，而是一陣一陣的，這是梅曼最重要的設計，這樣就避免了連續(xù)的高能量抽運光損壞晶體。
諧振腔：
諧振腔示意圖。
在紅寶石棒的兩端，梅曼放了兩面鏡子，并在右邊的一面上挖了一個小洞，這樣受激輻射發(fā)出的光就能在增益介質中來回穿梭，得以“誘惑”更多的光子，達到一定強度后，激光就從小洞里射出。
04
激光到底有什么用？
梅曼發(fā)明激光后召開了一場新聞發(fā)布會，在那場新聞發(fā)布會上就有記者問出了這個問題，梅曼給出了 5 個方面的建議：
1.用來放大光，比如做高功率激光器的時候，都是用光放大器對比較弱的光進行放大；
2.可以用激光去研究物質；
3.用高功率激光光束做空間通訊；
4.用于增加通訊的信道數(shù)量（這就是后來出現(xiàn)的光纖通訊）；
5.把光束聚焦，產(chǎn)生超高的光強，用于工業(yè)上切割或焊接材料，或是在醫(yī)學上進行手術等等。
我們不得不佩服梅曼敏銳的科研嗅覺，他說的這些建議，日后一一應驗。
還記得受激輻射產(chǎn)生光子的特點嗎？
它們的頻率和相位一致，而激光本質上就是對受激輻射光的放大，所以激光最重要的兩個特點就是單色性好和能量高。這兩個特點決定了激光的用途，這也是激光器發(fā)展的兩個方向。
單色性好，就意味著激光頻譜很窄，很容易表現(xiàn)出光作為波的特征，我們就可以用它來記錄相位信息。
比如 1947 年英國物理學家丹尼斯·蓋伯發(fā)明的全息照相技術，本質上就是利用光的相位來記錄物體全方位的信息，使產(chǎn)生立體照相的效果。
全息照片不光能記錄正面信息還能記錄側面信息。
直到激光發(fā)明之后，這種技術才有了實現(xiàn)的條件，并在 1971 年獲得了諾貝爾物理學獎。
能量高這個就很好理解了，我們可以用激光來刻錄光盤，來促成核聚變，來切割材料等等。我們甚至不光可以產(chǎn)生連續(xù)高能量的激光，還可以通過鎖膜技術和啁啾放大技術，來獲得能量高但是脈沖持續(xù)時間非常短的激光。
鎖膜技術產(chǎn)生脈沖示意圖。
現(xiàn)在飛秒激光已經(jīng)很普及了，這種激光單個脈沖的持續(xù)時間只有飛秒（10 的負 15 次方秒）量級。
利用這種激光，我們就可以對物質進行精準打擊，而不至于造成很大的破壞，比如近視眼修復手術，改變物質表面，增強它的防腐性能等等。
05
結語
2018 年，啁啾放大技術的發(fā)明者也獲得了諾貝爾物理學獎，目前，光是與激光相關的諾貝爾物理學獎就有十幾個。可以說，激光是20世紀以來人類最重大的發(fā)明之一。
在國際光日，如果有人問你：你相信光嗎？你就可以反問他一句：你相信激光嗎？
出品｜科普中國
作者｜小小長光人 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
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