简单三步，让你拥有如奥特曼一样的“激光武器”

2015年被定为国际光和光基技术年（IYL2015），同时联合国教科文组织决定将每年的5月16日定为“国际光日”。

选择这一天的原因在于，1960年5月16日时，美国物理学家梅曼发明了人类历史上第一束激光。

那么激光究竟是什么呢？它的重要性何在？
要搞清楚这些问题，我们首先需要了解梅曼的科研历程。

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物体发光的原因

回到1912年，物理学家们还在探索原子的本质。

该年，丹麦的物理学家玻尔发表了三篇论文，将量子理论融入了卢瑟福的原子模型，提出了响亮的 玻尔模型 。

这一模型不仅解释了之前模型无法解答的现象，还预测了一些实验可以验证的结果，因而获得了科学界的广泛认可。

玻尔模型如同行星模型，带负电的电子围绕着带正电的原子核运动。

此模型的亮点在于，电子的轨道并非随意可选，而是只能依赖一些固定的数值。

电子轨道的最内层称为基态，外层依次为第一激发态、第二激发态，以此类推。

玻尔模型可以很好地解释物体为何发光说，尤其是针对不同轨道电子的能量各有不同，将它们“展平”后可以得到具体能级。

由于能量守恒， 电子想从低能级跃迁到高能级，需要从外界吸收相对应的能量，这一过程称为受激吸收 。

同理，电子从高能级降回低能级时，也会释放出相应的能量，可产生光子，这被称为 自发辐射 。

我们常见的普通光源发光原理正是基于自发辐射。

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如何让光照“听话”

自发辐射所产生的光存在一些问题：原子中的能级繁多，发出的光子可能来自于不同能级，
这就导致这些光子的能量存在差异，而光子能量的不同又决定了光的频率，简而言之， 自发辐射产生的光频率是随机的。

此外，自发辐射生成光子的时机与方向也不受控制，造成了 光的相位也是随机的。

在这里提到的频率和相位是光作为电磁波的属性，频率反映光波振动的快慢，也决定了我们视觉得光的颜色，而相位则显示光波传递的位置。

总的来说，普通光源发出的光就像地铁上的人群，各种年龄、性别的人们以不同速度前行，走向截然不同的目的地。

因此，虽然普通光源在日常照明上已足够，却在科研，特别是光属性研究中显得力不从心。

终于在1917年，一个新的发光方式被提出，那便是 爱因斯坦的受激辐射理论。

受激辐射理论假设，当第一激发态上有一个电子，并且有一个光子的能量正好等于第一激发态与基态的能量差，那么此时，第一激发态上的电子将会在“诱惑”下完成自发辐射，从而发出一个“完全相同”的光子。

由于诱惑光子的存在，这一过程就被称为受激辐射。

若有足够多的高能级电子参与，其过程将持续，最终形成成千上万的被“诱惑”的光子，这个过程我们称为光放大，最值得注意的是，这些光子的相位与频率完全一致。

与自发辐射相比，受激辐射如同一支整齐的队伍。

03

制造激光器的步骤

第一步：实现粒子数反转。

在受激辐射理论的启发下，科学家们开始思考如何利用这一理论制造出支持整齐光发出的光源。

可能有人会疑惑，用光照射就可以吗？这并不简单，因为涉及到**“足够多”**

的要素，以及受激吸收现象。

实际上，在自然状态下，基态电子的数量远超激发态电子。

例如，在室温下的二能级系统中，基态电子的数量约为激发态电子的10的170次方倍！
因此，实现受激辐射的首要条件是使高能级粒子数大于低能级粒子数，即实现粒子数反转。

如何实现这一反转呢？
基本的思路是“抽运”，就像水泵把基态的粒子送入高能态。

说起来简单，做起来难。

第二步：创建前身。

1951年，美国物理学家汤斯提出了如何在氨分子中实现粒子数反转。

氨分子为二能级系统，在常态下难以实现粒子数反转，因为受激吸收与受激辐射的概率相同且自发辐射的存在，使得高能级粒子的数量必定小于基态粒子。

汤斯的方法独具匠心，他利用磁场将基态与激发态的氨分子进行区分，并将激发态的氨分子置于微波谐振腔内，从而实现粒子数反转。

三年后，基于这一思想，汤斯制造出了第一台“MASER”。

MASER全称为“Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation”，即“利用受激辐射对微波进行放大”。

激光LASER指的是“利用受激辐射对光进行放大”。

上文我们提到光为电磁波，而微波同样也属电磁波。

根据频率可将电磁波分类，微波频率为300MHz至300GHz，而可见光频率在3.9至7.5乘以10的14次方Hz之间。

从名称可看出，MASER与LASER的不同主要在于工作波段的差异，MASER距离LASER仅有一步之遥。

第三步：完善激光器三大组件。

MASER的发明催化了粒子数反转问题的解决。

短短三年内，技术迅速发展，大家急切想要进一步把微波放大器转变为光放大器，发明激光。

此时我们已经隐约总结出激光器的三大组成部分：
一是能实现粒子数反转的物质，例如氨分子，称为增益介质；二是合适的抽运方式，被称作泵浦；最后是汤斯使用的谐振腔，关于谐振腔的作用后文再谈。

1958年，汤斯与肖洛合作撰写理论文章，首次从理论上预测激光的可行性。

此时对汤斯来说，可以说是天时地利人和，然而他错误地认为自己是借风的周瑜，结果却成了被风戏弄的曹操。

1960年5月16日，梅曼另辟蹊径，首次成功制造激光器。

梅曼的成功是个充满波折的故事，感兴趣的可以进一步探索，但我们着重介绍他的红宝石激光器。

该激光器清晰展示了激光器的三大组件，我们逐一介绍。

增益介质：

梅曼的增益介质为红宝石，也即掺铬的三氧化二铝。

这种增益介质属于三能级系统，相较于二能级系统，它实现粒子数反转的方式则简单许多。

红宝石的三能级系统有其独特之处，通过抽运过程我们可以更好地理解它是如何实现粒子数反转的。

首先通过适当的激励，将基态粒子直接提升至E3能级，E3与E2能级间存在无辐射跃迁，E3粒子会迅速通过碰撞流动至E2，通过这一过程降低的能量转化为热运动能量，而非光辐射。

其次，E2态为亚稳态，E3级别灾难性的粒子能在此状态停留较长的时间。

这相当于利用E3作为过渡，将基态粒子导入E2，促使该过程不断进行，最终使E2粒子数超过基态粒子数，实现粒子数反转。

虽然红宝石激光器效率不高，仅为0.1%，这是由于增益介质本身的限制，三能级系统要求高能量才能将基态粒子送至高能态。

此外，该激光器的波长694.3nm也由增益介质决定。

伴随激光技术的进步，增益介质种类日益丰富，包括气体、固体、液体、光纤和半导体等，例如教室中常见的激光笔正是一种半导体激光器。

不论何种增益介质，都需具备能实现粒子数反转的方法。

泵浦：

梅曼的激光器特征在于泵浦光源是螺旋形的氙气灯。

螺旋形设计能够固定红宝石棒于灯管之间，且该灯使用户外脉冲光进行抽运，发光为间歇性而非连续，这乃梅曼的重要构思，避免了连续高能量抽运损害晶体。

谐振腔：

在红宝石棒两端，梅曼安装了两面镜子，其中一面鏡上挖了一个小孔，使得在增益介质中来回穿梭的受激辐射光能够“诱惑”更多光子，待光强达到一定程度后，激光便从小孔中发射出去。

04

激光的用途

梅曼发明激光之后召开新闻发布会，期间有记者提出激光的用途。

梅曼回应提及了如下五点：

1. 用于光的放大，例如在高功率激光器的制作过程中，将较弱光通过光放大器加以放大；
2. 激光可以帮助研究物质的特性；
3. 利用高功率激光进行空间通信；
   利用高功率激光进行空间通信 道数量（此为后来的光纤通信）；
4. 激光可聚焦以产生极高的光强度，从而 激光可聚焦以产生极高的光强度，从而在工业领域用于切割或焊接材料

梅曼的科研嗅觉极其敏锐，他的这些建议日后得到了验证。

还记得受激辐射光子特性吗？
它们的频率和相位一致，而激光本质上是对受激辐射的放大，故** 激光的两个重要特性即单色性和高能量。 **

这两点决定了激光的广泛应用，且激光器的发展亦以此为方向。

单色性意味着激光频谱非常狭窄，容易展现光的波的特性，使得相位信息的记录成为可能。

例如1947年，英国物理学家丹尼斯·盖伯发明了全息照相技术，其本质便是利用光的相位记录物体的全信息，从而实现立体照片效果。

激光的问世为这种科技的发展提供了基础，1971年获得了诺贝尔物理学奖。

“高能量”便是相对易理解，我们可以借助激光来刻录光盘，从而促成核聚变、切割材料等。

如何制造出持续高能的激光，而脉冲持续时间却极短？通过锁膜技术与啁啾放大技术，便实现了这一目标。

现今，飞秒激光已相当普遍，单脉冲持续时间只有飞秒（10的负15次方秒）量级。

利用这种激光，我们可对物质进行精确打击，而且不会造成过大损害，如近视眼矫正手术，物质表面改造与防腐性能增强等。

05

总结

2018年，啁啾放大技术的发明者获得诺贝尔物理学奖，至今，诸多与激光有关的诺贝尔物理奖已超过十个。

激光可以说是20世纪人类最重大的发明之一。

在国际光日之际，若有人问你：你相信光吗？你完全可以反问他：你相信激光吗？
作者｜小小长光人 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所