激光
激光的原理
激光英语叫镭射，laser，以前我们翻译成镭射，后来呢被我们科学家钱学森改成了激光，全称叫受激辐射光放大。要理解激光原理呢？
玻尔模型
我们必须追溯到100年以前。在100年以前，人们刚刚认识原子和世界组成的时候，有一个著名科学家玻尔提出了玻尔模型。什么是玻尔模型呢？他说呀原子是由原子核构成的，原子核外面有电子，但是电子的轨道并不是任意的，电子呢只有一些确定的轨道。其中最里边的这个轨道我们称它为基态，如果电子在基态上，那么它的能量呢就是最低的，如果它跑到这个轨道上去，那么就叫第一激发态，第一激发态的能量就会比基态能量要高一些，那这个轨道就叫第二激发态啊。如果电子吸收能量，就可以从基态往激发态跑，如果电子从激发态回到基态，就会释放能量，这就是玻尔的模型。那么电子呢是不能在两个轨道中间的。
玻尔说呢，通过这件事我们可以解释为什么原子可以发光。咱们看啊，假如啊一个原子有一些能级，那最初呢它是处于最稳定的基态能量的状态的。那么假如说呢我们外界加一些影响，比如加一些光的影响，或者是电子撞击或者是热量这样的一个影响，这样的话基态的电子呢就会往上跃迁，它可能会跃迁到第一激发态啊。那如果过了一会儿没有影响了，它从第一激发态可能会回到基态，在回到基态的过程中呢，就会发光。当然也有可能，你会把它给激发到第二激发态对吧，也有这种可能，它从第二激发态也可以跃迁回来啊，那么它也会发光。在这个过程中啊，凡是向上跃迁的，我们就称它为受激吸收。受激吸收什么意思呢？就是你从基态跑到激发态去了，这就叫受激吸收。如果你从激发态，激发态不稳定，它往下跃迁，这就叫自发辐射。那么通过受激吸收和自发辐射，这个物质就会发出普通光。（我们用这个理论可以解释什么呢？可以解释比如说为什么日光灯管可以发光啊，那就是因为呢，我们通过电子把汞原子撞到激发态，然后汞原子从激发态到基态跑的时候呢，它就会发出紫外线，紫外线撞到荧光粉上就可以发光了。同样道理啊，一个铁块如果烧红了，是通过热量的办法使它跑到激发态，然后它往回跑的时候呢，它就会发出光来啊。）
那么普通光有一个特点啊，它的频率、相位都是随机的。什么叫频率呢？频率呢其实代表了光的能量，如果你从这个第一激发态往基态跑的话，你发出的光能量就会小一点，如果你从第二激发态往基态跑的话，你发的光能量就会大一点，但具体是怎么个跑法，不一定，所以频率是随机的。还有一个相位是随机的，相位不太好理解啊，我们大概就表现成这个光的一个“脸”的朝向是吧，光的“脸”有可能朝东和朝西啊。那么这些个光子聚集到一块构成了普通光，它们是杂乱无章的，它们中间没有什么关系，就好像我们到一个商场里面去，我们看到了高高矮矮、胖胖瘦瘦、男男女女、老老少少的人，这些人都不一样，他们“脸”的朝向也不一样，这就是所谓的普通光啊。
受激辐射
那么后来呢爱因斯坦又提出来了受激辐射理论。受激辐射怎么回事呢？最早的奠基人是爱因斯坦，爱因斯坦呢在1917年的时候提出了这个理论。受激辐射的意思是说，刚才呢我们已经说了啊，这个原子啊有基态，有激发态对吧，你从基态跑到激发态，可以吸收光子，你从激发态回到基态会释放光子，但是呢你在激发态的时候到底什么时候往回跑，这是不一定的，是随机的，时间上是随机的。爱因斯坦说，假如在这个时候，你外界有一束光照过来，而这束光的能量恰好等于你从第一激发态往基态跑的时候释放的光的能量，这样一来呢它就会诱导这个电子立刻跳到基态，这个时候它会发出跟你外界这个光完全一样的光子来，所谓完全一样，就是不光能量一样，而且呢它的相位也是一样的，完全一样的光子。
受激辐射理论特性那么假如你有两个原子，这两个原子中的第二个原子，受到前两束光的诱导，它又会怎么样，他又会从立刻从高能级往低能级跃迁，同时再发出一个完全相同的光。那么假如我们还有一个原子，也处于第二这个激发态的话，它也会受到影响，往低能级跃迁，这样一来，这个光就会越来越多，形成一种类似于雪崩效应的东西啊。不仅如此，发出的这些光还有什么特点，它的频率还有相位都是完全相同的。我们完全可以认为啊，这就好像是克隆人一样啊，一束光子过来，一走一过，结果一个一个光往外跑，这些光都是克隆原来那个光的，这些光是完全一样的啊，我们就称之为受激辐射好了。
受激辐射实验与激光出现
那么受激辐射理论提出来之后，人们就在想说，能不能造成一种非常好的光源呢，这所谓的激光光源能不能造出来呢？这件事又等了好多年啊。在1947年的时候，美国的科学家兰姆还有雷瑟福，他们呢发现了氢原子的受激辐射。也就是说爱因斯坦提出这个理论的时候，他其实并没有发现什么实验的结果，那么到了30年之后，人们才发现氢原子确实是可以有受激辐射的。然后呢，如果我们能够希望能够这个光越来越强，有什么要求呢？这件事到了1958年人们才搞清楚。到了1958年的时候，美国的科学家汤斯，还有一个人名字叫肖洛，汤斯、肖洛，这两个人他们说呀，如果你想实现这个过程，首先你得有很多的粒子处于高能级，也就是所谓实现粒子数反转。有同学可能会想粒子数反转，我也知道必须有很多的原子处于高能级嘛，啊关键是这两个人呢为这种方法指明了道路，从那个时候开始，人们就提出了各种方案实现粒子数反转，于是呢终于激光器被发明出来了。
咱们来说一下激光器啊。我们首先来说一下第一台激光器吧，第一台激光器是在1960年的时候，美国休斯顿实验室的梅曼提出的，红宝石激光器啊。那么这个激光器啊，它的理论原理图我们可以大概这样画，它是一个三能级系统。首先呢大量的原子都处于基态，然后他用氙灯，氙灯照射强光照射过来，结果呢，基态的这些原子就会被激发到第二激发态e3上去。激发到第二激发态的时候啊，第二激发态不稳定，它只能存在大概十的 -9次方秒，寿命只有这么长。那么十的 -9次方秒之后它会怎么样，他就会跃迁回来，跃迁到第一激发态，也就是e2跃迁回来，而且他在e2上待的时间比较长，大概可以待十的 -3次方秒，这样就可以实现足够多的原子啊在这个e2这个能级上，于是他就会怎么样就会发出一束光对吧，于是其他原子跟着一起发光啊，这个他也发过来发光，然后这个他也发光，这就是所谓的什么呀受激辐射，那么这个光呢就非常强，我们就给它起个名字叫激光对吧。当然实际的激光器啊原理更加复杂啊。后来呢人们又发明了气体激光器、半导体激光器等等。
比如我们再说一个比较常用的啊YAG激光器，YAG激光器的一个基本结构，就首先呢它在上面呢有一个电源，在电源底下呢加了一个泵，这个泵是什么意思，泵就是怎么样把基态的这些个原子泵到第二激发态e3上，然后再往回跃迁啊，这就是泵。那么泵发出的光去照射这个晶体啊，照射晶体，然后这个晶体呢它发出了这个频率、相位都完全相同的激光。但是这些个激光呢怎么进行增强呢？它啊在这个外面加了一个叫谐振腔的东西，谐振腔干嘛使的呢？它左侧呢是一个全反射的这么一个镜子，右侧是一个半反半透的镜子，所以这个光在里面呢它就会反复的反射，反射到一定程度，光强到一定程度了，会从右侧出来，那么出来这个光呢就是激光。所以激光呢基本的结构呢就是一个泵啊，一个晶体再加一个谐振腔啊，这就是基本的一个激光的结构。
激光的特性及应用
那么激光呢又有什么应用啊？咱们简单的介绍几个应用。首先第一个呢激光的方向性非常好，因为激光是高斯光束，跟普通光不太一样，所以他走了很远很远，它发散的角也很小啊，所以我们利用这个呢可以用来做激光制导，就是导弹，我们用激光来指导。我们还可以干什么呢？还可以用激光来测距，测量距离，它不发散啊。还有呢比如说光盘，光盘呢也是用激光做的，我们用激光去打那个洞，我为什么用激光打，不用普通光打，因为激光方向性好，我不会打到别的洞上，所以这样的话光盘的密度可以做的比较大。
那么第二个呢就是激光的亮度高啊，为什么亮度高呢？因为他把很强的光集中在一个小的范围内了。那么亮度高可以干什么呢？可以过来做激光切割啊，我们这个星球大战里面拿一把光剑对吧，激光切割。还比如说呢激光可以用来做核聚变啊，核聚变我们知道它需要很高的温度，一般是用原子弹引爆的，但是因为激光的温度也会非常高，比太阳表面温度还要高很多，所以呢我们就可以用激光来做这个核聚变了啊。当然还有比如说内雕，内雕什么意思呢？就是有的时候我们到商场上去看啊，它可以把你的照片雕刻在一个水晶的里边，用什么方法呢？用激光的方法可以做内雕啊。
还有一个最重要的应用就是它的相干性，所谓相干性其实大概可以理解成频率和相位的一致性，因为它具有很高的频率和相位的一致性，所以可以进行调制，那么光纤通信就得利用激光，还有一个非常重要的应用就是全息技术啊，全息技术也是非常有意思的一件事啊。其实激光的应用非常多，与激光的发明和理论贡献直接相关的诺贝尔奖有十几个，比如说我们刚才说的这些人全都是诺贝尔奖，而与激光应用相关的诺贝尔奖有几十个之多。
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作者：jobton
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来源：柠檬语
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