简单三步，让你拥有如奥特曼一样的“激光武器”

图库版权图片，不授权转载汤斯和第一台MASER。图片来源：维基百科红宝石激光器原理图。图片来源：维基百科三能级系统示意图。图片来源：作者自制

2015 年是国际光和光基技术年（IYL2015），也是在这一年，联合国教科文组织执行委员会签署通过了将每年的 5 月 16 日设为“国际光日”的决定。

之所以选择 5 月 16 日，是因为在 1960 年 5 月 16 日，美国物理学家梅曼制造出了人类历史上的第一束激光。

梅曼和红宝石激光器。图片来源：维基百科

所以激光到底是什么？它又为啥这么重要呢？

要回答这两个问题，我们就得好好了解一下梅曼这项工作的前因后果。

01

物体为什么会发光？

时间来到 1912 年，那时候的物理学家还在执着于构成这个世界的基础——原子，到底长啥模样。

这一年，丹麦物理学家玻尔的三篇论文发表，在这三篇论文里，玻尔把量子理论运用在了卢瑟福的原子模型中，提出了著名的玻尔模型。

玻尔模型能解释当时其他模型所不能解释的现象，并且预测了一些之后通过实验能够证实的结果，因此之后得到科学界的普遍接受。

我们来看看这个玻尔模型，玻尔模型是一种行星模型，也就是说，带负电的电子就像行星一样围绕着带正电的原子核运动。

玻尔模型的精妙之处在于这些电子的轨道并不是随便选择的，而是只能选择一些确定的数值。

氢原子的玻尔模型。图片来源：维基百科

最里面的电子轨道被称为基态，再外面一层的轨道就叫第一激发态，再外面就是第二激发态，以此类推。

玻尔模型就可以很好地解释物体为啥会发光，我们可以注意到这些不同的轨道上的电子能量是不一样的，不妨把这些轨道“展平”，这样我们就得到了一些能级。

自发辐射能级。图片来源：维基百科

由于能量守恒的缘故，电子想从低能级跃迁到高能级去，就得从外界吸收对应的能量，这个过程我们就叫它受激吸收。同样的，电子从高能级掉到低能级去，肯定也会放出相应的能量，事实证明，这个过程会发出一个光子，也就是说，电子会发光，所以这个过程被称为自发辐射。

我们生活中常见的普通光源的发光原理就是自发辐射。

日光灯。图库版权图片，不授权转载

02

让光“听话”

自发辐射产生的光存在一些问题：原子中的能级很多，这些光子有可能是第一能级自发辐射产生的，也有可能是第三能级自发辐射产生的……

这就会导致这些光子的能量不一样，而单个光子的能量就决定了光的频率，也就是说，自发辐射产生的光频率是随机的。

还有一点就是，自发辐射产生光子的时机，以及光子运动的方向也不受我们控制，这就会导致自发辐射产生的光，相位也是随机的。

这里所讲的频率、相位都是光作为电磁波的一种属性，频率可以理解为光波振动的快慢，它也决定了我们看到光的颜色；相位可以理解为光波传递的位置。

光作为一种电磁波。图片来源：维基百科

总之，普通光源产生的光就像是一堆挤地铁的人，他们有老有少，有男有女，穿着不同颜色的衣服去坐地铁，而且走得还不一样快，有的已经上车了，有的却还在检票。

这就导致普通光源虽然在生活照明上已经足够用了，但是在科研领域，尤其是研究光的性质上，战斗力着实一般。

终于，在 1917 年，另一种发光方式浮出水面，那就是爱因斯坦提出的受激辐射理论。

受激辐射。图片来源：维基百科

受激辐射理论就是说，现在假设第一激发态上有一个电子，这时候有一个光子打过来，而这个光子的能量恰好等于第一激发态和基态的差距，那么这个时候，第一激发态上的电子就会在“受到诱惑”的情况下完成自发辐射，放出一个“一毛一样”的光子。

由于这个“诱惑光子”的存在，我们就称这个过程为受激辐射。

如果在足够多的高能级电子中，这个过程会一直延续下去，最终形成一大群被“诱惑”的光子，我们将这个过程称为光放大过程，最重要的是，这些光子的相位和频率是完全一样的。就像是一支整齐划一的部队，和上面“挤地铁”的自发辐射完全不一样。

03

造一台激光器总共分几步？

第一步，粒子数反转。

有了受激辐射理论之后，人们就在想，怎么才能利用这个理论，造一个能发出整齐划一的光的光源呢？

可能会有读者说，拿光照过去不就行了吗？有什么难的呢？

有这样疑问的读者要注意前面提到的“足够多”这三个字，而且不要忘了我们的受激吸收现象。

如果高能级电子不够多，受激辐射的次数少于受激吸收的次数，这时候一束光打过来，并不会发射光放大，而是会被基态电子受激吸收，导致光损耗。

实际上，在自然情况下，基态电子数量要远远大于激发态电子，以室温为例，一个二能级系统（也就是只有基态和第一激发态的能级系统）基态电子数量大概是激发态电子数量的 10 的 170 次方倍！

所以要想利用受激辐射原理制造一台光源，首先要解决的问题就是使高能级的粒子数大于低能级的粒子数，也就是实现粒子数反转。

怎么实现粒子数反转呢？

基本的思路就是抽运，就像水泵一样，把基态的粒子抽到高能态去。

说起来容易，做起来难。

水泵抽运粒子。图片来源：维基百科

第二步，造一台前身。

1951 年，美国物理学家汤斯想到了如何在氨分子中实现粒子数反转。

氨分子是二能级系统，在正常情况下是不可能实现粒子数反转的，因为受激吸收和受激辐射的概率是相同的，同时还有自发辐射存在，这就导致高能级的粒子数一定会少于基态粒子数。

汤斯的办法非常巧妙，他利用磁场将基态和激发态的氨分子区分开来，单单挑出激发态的氨分子放到微波谐振腔里，在这个谐振腔里实现了粒子数反转。

三年之后，利用这个想法，汤斯造出了第一台“MASER”。啥是 MASER 呢？

MASER的全称为Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation，译为“利用受激辐射对微波进行放大”。激光LASER的全称为light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，译为“利用受激辐射对光进行放大”。

上文我们提到光是一种电磁波，微波则是另一种电磁波。

电磁波可以按照频率的大小来进行分类，微波的频率在 300 MHz～300 GHz，而可见光频率则是在 3.9～7.5 乘以 10 的 14 次方 Hz 之间。

从名字我们就能看出 MASER 和 LAZER 的不同，主要在于工作波段的不同，MASER 离 LASER 只有一步之遥了。

第三步，补全激光三大件。

MASER 的问世解决了粒子数反转问题。短短三年时间，这项技术就突飞猛进，这时候大家都希望能够赶紧更进一步，把这个微波放大器变成光放大器，造出那个梦想中的光源，也就是激光。

至此我们已经能隐隐总结出组成激光器的三大部件了：

一是需要能实现粒子数反转的物质，就像是氨分子，我们称之为增益介质；二是合适的抽运方法，我们称之为泵浦；三是上面提到汤斯用的谐振腔，至于谐振腔的作用我们后面再说。

1958 年，汤斯和肖洛合作写了一篇理论文章，第一次从理论上预言了激光的可行性。此时对汤斯来说，可谓万事俱备只欠东风！

结果大家也都知道了，汤斯本以为自己是借风的周瑜，没想到却成了被风骗了的曹操。1960 年 5 月 16 日，梅曼另辟蹊径，捷足先登，制造出了人类历史上的第一台激光器。

关于梅曼如何捷足先登的故事，大家有兴趣可以去了解一下，可谓一波三折非常精彩。不过我们这里还是把介绍重点放在他的红宝石激光器上。

这个激光器非常清晰地展示了激光器的三大部件，我们就不妨依次介绍。

增益介质：

梅曼选择的增益介质是红宝石，也就是掺铬的三氧化二铝。

这种增益介质是一种三能级系统，这种三能级系统实现粒子数反转的办法，就比之前的二能级系统要简单许多了。红宝石的三能级系统有一些特别之处，我们通过它的抽运过程就能理解它是如何实现粒子数反转的。

首先通过合适的激励把基态粒子直接运上 E3 能级，而 E3 能级和 E2 能级之间存在无辐射跃迁过程，也就是 E3 上的粒子会很快通过碰撞跑到 E2 上，减少的能量变成热运动能量，而不是发光。

此外，E2 态是亚稳态，就是 E3 能级上掉下来的粒子能在 E2 能级保持很长时间。这样相当于利用 E3 能级作为一个过渡，把基态的粒子运到了 E2 上，让这个过程一直进行下去，E2 的粒子数就会超过基态粒子数，实现粒子数反转。

其实红宝石激光器的效率很低，只有 0.1%，这是受增益介质的限制，因为三能级系统需要很高的能量把基态粒子抽运到高能态去。此外，这个激光器的波长为 694.3nm 也是由这种增益介质决定的。

随着激光的发展，增益介质的种类逐渐增多，包括气体、固体、液体、光纤、半导体等等，比如教室里常用的激光笔就是一种半导体激光器。

总之，不管哪种增益介质，它都要有能实现粒子数反转的方法。

泵浦：

第一台红宝石激光器的泵浦灯。图片来源：维基百科

梅曼的激光器最明显的特征，就是它的泵浦光源是一个螺旋形的氙气灯，螺旋形可以保证把红宝石棒放在灯管之间。此外这个灯还是使用脉冲光来抽运，也就是它发出的光不是连续的，而是一阵一阵的，这是梅曼最重要的设计，这样就避免了连续的高能量抽运光损坏晶体。

谐振腔：

谐振腔示意图。图片来源：维基百科

在红宝石棒的两端，梅曼放了两面镜子，并在右边的一面上挖了一个小洞，这样受激辐射发出的光就能在增益介质中来回穿梭，得以“诱惑”更多的光子，达到一定强度后，激光就从小洞里射出。

04

激光到底有什么用？

梅曼发明激光后召开了一场新闻发布会，在那场新闻发布会上就有记者问出了这个问题，梅曼给出了 5 个方面的建议：

1.用来放大光，比如做高功率激光器的时候，都是用光放大器对比较弱的光进行放大；

2.可以用激光去研究物质；

3.用高功率激光光束做空间通讯；

4.用于增加通讯的信道数量（这就是后来出现的光纤通讯）；

5.把光束聚焦，产生超高的光强，用于工业上切割或焊接材料，或是在医学上进行手术等等。

我们不得不佩服梅曼敏锐的科研嗅觉，他说的这些建议，日后一一应验。

还记得受激辐射产生光子的特点吗？

它们的频率和相位一致，而激光本质上就是对受激辐射光的放大，所以激光最重要的两个特点就是单色性好和能量高。这两个特点决定了激光的用途，这也是激光器发展的两个方向。

单色性好，就意味着激光频谱很窄，很容易表现出光作为波的特征，我们就可以用它来记录相位信息。

比如 1947 年英国物理学家丹尼斯·盖伯发明的全息照相技术，本质上就是利用光的相位来记录物体全方位的信息，使产生立体照相的效果。

全息照片不光能记录正面信息还能记录侧面信息。图片来源：维基百科

直到激光发明之后，这种技术才有了实现的条件，并在 1971 年获得了诺贝尔物理学奖。

能量高这个就很好理解了，我们可以用激光来刻录光盘，来促成核聚变，来切割材料等等。我们甚至不光可以产生连续高能量的激光，还可以通过锁膜技术和啁啾放大技术，来获得能量高但是脉冲持续时间非常短的激光。

锁膜技术产生脉冲示意图。图片来源：维基百科

现在飞秒激光已经很普及了，这种激光单个脉冲的持续时间只有飞秒（10 的负 15 次方秒）量级。

利用这种激光，我们就可以对物质进行精准打击，而不至于造成很大的破坏，比如近视眼修复手术，改变物质表面，增强它的防腐性能等等。

05

结语

2018 年，啁啾放大技术的发明者也获得了诺贝尔物理学奖，目前，光是与激光相关的诺贝尔物理学奖就有十几个。可以说，激光是20世纪以来人类最重大的发明之一。

在国际光日，如果有人问你：你相信光吗？你就可以反问他一句：你相信激光吗？

出品｜科普中国

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

监制｜中国科普博览