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激光，从玩具到做手术，已经无处不在。不知道你小时候有没有玩过“红外线”呢？对，就是那种会发出红色激光的激光笔，但我们估计是动画片看多了，把它叫做红外线~~~估计大部分叨友第一次亲密接触激光就是这样吧！！！那么，你知道激光的原理吗？ 激光这名字怎么来的？ 说起激光我们就先来说一下激光的英文原名…… 它的原名叫Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，直译过来是“受激辐射的光放大”，这个名字实在是太长了，于是人们就取它的首字母：laser. 而激光的中文译名，曾今是纯音译“莱塞”，或者兼有一点儿意译的“镭射”。不过后来为了更加准确地表述，这个laser就统一翻译成了“激光”。 好了，那么激光到底是什么个玩意？ 我们都知道物质由原子构成。每个原子里原子核与电子组成了一个系统，当这个系统所含的能量最低时，我们就说这个原子处于基态。 原子中的电子轨道和太阳系的模型有点像，但又有很大的不同。简单地说，如果我要把金星“变轨”，变到地球的轨道，那么我就要给金星注入能量，改变金星的轨道，使其轨道半径越来越远，直到金星到达地球轨道为止。那么从金星开始“变轨”，到“变轨”结束的这段时间内，金星都是处于一种介于原来的金星轨道和地球轨道之间的状态。 但是，原子可就不一样了。如果也给一个电子注入能量，让一个电子“变轨”到能量更高的轨道，电子是直接“跳”过去的！换句话说，就像金星忽然就“跳”到了地球轨道一样，并不存在一个“中间状态”！而且在注入能量低的时候，这个电子也不会“跳”，只有刚好达到某个值的时候，电子才会忽然“跳”过去！ 我们给电子“跳”过去这个动作取一个专业术语，叫“跃迁”。把基态原子吸收了能量之后叫做激发态原子。 电子那么小，如何给它“加油”，注入能量？用光子！ 当一个光子的能量正好等于两个能级的能量之差时，这个光子就会被原子吸收，处于基态的电子就会跃迁到更高能级的轨道。 反过来，电子也可以从高能级跃迁回到低能级，并产生一个能量等于两个能级的能量差的光子。 处于激发态的原子是非常不稳定的，寿命只有一秒的一亿分之一，很快就会随机地自发地回落到基态，同时放出光子。我们把这个过程称为“自发辐射”。因为是随机的，所以发出的光子的特征并没有确定的关系。 但是如果赶在原子发生自发辐射之前，再给它一个能量刚好等于两能级能量之差的光子，原子同样会从高能级到低能级跃迁，并再释放出一个相同的光子。这就相当于，用一个光子，“生”出两个同频率、同相位、同方向、同偏振态的光子！ 这个过程也有一个专业术语，叫“受激辐射”。 如果刚才的两个光子再去和其它处于激发态的原子作用，就又形成四个一样的光子，再形成8个、16个…… 说到这里你应该明白了为什么叫“受激辐射的光放大”了！ 制造激光到底有多难？ 但是很快我们就能想到，要真的做成激光，得需要大量的激发态原子才可以啊！但是通常状态下大部分原子都是处于基态的。我们需要得到一种高能态的原子数多于低能态的原子数的状态，这种状态叫“粒子数反转”。 激光是一个理论先于实践的事物。在1916年，爱因斯坦就已经奠定了激光的理论基础。但是直到1960年5月16日，世界上第一台激光器才诞生，前后足足相隔了44年。激光器如此姗姗来迟，就是因为粒子数反转太难实现了，甚至有人断言这是不可能实现的。 但是科学家终究还是做到了。科学家首先用了了三能级系统实现了粒子束反转，后来又发明了更好用的四能级系统。限于本文只是科普文，我们就不具体展开神马叫三能级系统和四能级系统了……我们只需要知道，这是实现粒子数反转的方法。刚才所说的世界上第一台激光器，就是以红宝石为激活介质的三能级系统。而氦氖激光器、二氧化碳激光器，就是四能级系统的激光器。 但是实现了粒子数反转还不够。因为粒子数反转之后，自发辐射还是会存在，而自发辐射产生的各种光子就会引发各种不同频率、不同方向的受激辐射。因此，科学家还发明了光学谐振腔来解决这个问题。同样我们也不具体展开光学谐振腔说明的原理了……我们只需要知道，它对光的方向和频率有选择作用。 Ok，集齐以上法宝，一束方向性好、单色性好、能量集中、相干性好的激光就诞生了。 激光有哪些应用？ 我们用的光盘，就是用激光来读取信息； 我们的激光照排系统让我们告别了“铅与火”； 激光还使得用光传递大量信息成为可能，没有激光就没有我们现在用的光纤； 全息摄影技术中也需要激光； 激光还用来切割、雕刻； 激光测距的精度也非常高； 在尖端的科研里，科学家还用激光来移动原子，用激光来冷却原子； 还有可控核聚变，得用高能激光束来引发； ………… 激光的用处实在是太多了。激光诞生到现在已经五十多年，我们已经难以想象如果没有激光，我们的生活会变成什么样子。 这也说明了，现在的看似离我们很遥远的尖端科技，说不定几十年后就成了步入千家万户、人们离不开的东西。 |
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