激光，從玩具到做手術(shù)，已經(jīng)無(wú)處不在。不知道你小時(shí)候有沒(méi)有玩過(guò)“紅外線”呢？對(duì)，就是那種會(huì)發(fā)出紅色激光的激光筆，但我們估計(jì)是動(dòng)畫片看多了，把它叫做紅外線~~~估計(jì)大部分叨友第一次親密接觸激光就是這樣吧?。。∧敲?，你知道激光的原理嗎？
激光這名字怎么來(lái)的？
說(shuō)起激光我們就先來(lái)說(shuō)一下激光的英文原名……
它的原名叫Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，直譯過(guò)來(lái)是“受激輻射的光放大”，這個(gè)名字實(shí)在是太長(zhǎng)了，于是人們就取它的首字母：laser.
而激光的中文譯名，曾今是純音譯“萊塞”，或者兼有一點(diǎn)兒意譯的“鐳射”。不過(guò)后來(lái)為了更加準(zhǔn)確地表述，這個(gè)laser就統(tǒng)一翻譯成了“激光”。
好了，那么激光到底是什么個(gè)玩意？
我們都知道物質(zhì)由原子構(gòu)成。每個(gè)原子里原子核與電子組成了一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)這個(gè)系統(tǒng)所含的能量最低時(shí)，我們就說(shuō)這個(gè)原子處于基態(tài)。
原子中的電子軌道和太陽(yáng)系的模型有點(diǎn)像，但又有很大的不同。簡(jiǎn)單地說(shuō)，如果我要把金星“變軌”，變到地球的軌道，那么我就要給金星注入能量，改變金星的軌道，使其軌道半徑越來(lái)越遠(yuǎn)，直到金星到達(dá)地球軌道為止。那么從金星開(kāi)始“變軌”，到“變軌”結(jié)束的這段時(shí)間內(nèi)，金星都是處于一種介于原來(lái)的金星軌道和地球軌道之間的狀態(tài)。
但是，原子可就不一樣了。如果也給一個(gè)電子注入能量，讓一個(gè)電子“變軌”到能量更高的軌道，電子是直接“跳”過(guò)去的！換句話說(shuō)，就像金星忽然就“跳”到了地球軌道一樣，并不存在一個(gè)“中間狀態(tài)”！而且在注入能量低的時(shí)候，這個(gè)電子也不會(huì)“跳”，只有剛好達(dá)到某個(gè)值的時(shí)候，電子才會(huì)忽然“跳”過(guò)去！
我們給電子“跳”過(guò)去這個(gè)動(dòng)作取一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)，叫“躍遷”。把基態(tài)原子吸收了能量之后叫做激發(fā)態(tài)原子。
電子那么小，如何給它“加油”，注入能量？用光子！
當(dāng)一個(gè)光子的能量正好等于兩個(gè)能級(jí)的能量之差時(shí)，這個(gè)光子就會(huì)被原子吸收，處于基態(tài)的電子就會(huì)躍遷到更高能級(jí)的軌道。
反過(guò)來(lái)，電子也可以從高能級(jí)躍遷回到低能級(jí)，并產(chǎn)生一個(gè)能量等于兩個(gè)能級(jí)的能量差的光子。
處于激發(fā)態(tài)的原子是非常不穩(wěn)定的，壽命只有一秒的一億分之一，很快就會(huì)隨機(jī)地自發(fā)地回落到基態(tài)，同時(shí)放出光子。我們把這個(gè)過(guò)程稱為“自發(fā)輻射”。因?yàn)槭请S機(jī)的，所以發(fā)出的光子的特征并沒(méi)有確定的關(guān)系。
但是如果趕在原子發(fā)生自發(fā)輻射之前，再給它一個(gè)能量剛好等于兩能級(jí)能量之差的光子，原子同樣會(huì)從高能級(jí)到低能級(jí)躍遷，并再釋放出一個(gè)相同的光子。這就相當(dāng)于，用一個(gè)光子，“生”出兩個(gè)同頻率、同相位、同方向、同偏振態(tài)的光子！
這個(gè)過(guò)程也有一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)，叫“受激輻射”。
如果剛才的兩個(gè)光子再去和其它處于激發(fā)態(tài)的原子作用，就又形成四個(gè)一樣的光子，再形成8個(gè)、16個(gè)……
說(shuō)到這里你應(yīng)該明白了為什么叫“受激輻射的光放大”了！
制造激光到底有多難？
但是很快我們就能想到，要真的做成激光，得需要大量的激發(fā)態(tài)原子才可以??！但是通常狀態(tài)下大部分原子都是處于基態(tài)的。我們需要得到一種高能態(tài)的原子數(shù)多于低能態(tài)的原子數(shù)的狀態(tài)，這種狀態(tài)叫“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。
激光是一個(gè)理論先于實(shí)踐的事物。在1916年，愛(ài)因斯坦就已經(jīng)奠定了激光的理論基礎(chǔ)。但是直到1960年5月16日，世界上第一臺(tái)激光器才誕生，前后足足相隔了44年。激光器如此姍姍來(lái)遲，就是因?yàn)榱Ｗ訑?shù)反轉(zhuǎn)太難實(shí)現(xiàn)了，甚至有人斷言這是不可能實(shí)現(xiàn)的。
但是科學(xué)家終究還是做到了。科學(xué)家首先用了了三能級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了粒子束反轉(zhuǎn)，后來(lái)又發(fā)明了更好用的四能級(jí)系統(tǒng)。限于本文只是科普文，我們就不具體展開(kāi)神馬叫三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)了……我們只需要知道，這是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法。剛才所說(shuō)的世界上第一臺(tái)激光器，就是以紅寶石為激活介質(zhì)的三能級(jí)系統(tǒng)。而氦氖激光器、二氧化碳激光器，就是四能級(jí)系統(tǒng)的激光器。
但是實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)還不夠。因?yàn)榱Ｗ訑?shù)反轉(zhuǎn)之后，自發(fā)輻射還是會(huì)存在，而自發(fā)輻射產(chǎn)生的各種光子就會(huì)引發(fā)各種不同頻率、不同方向的受激輻射。因此，科學(xué)家還發(fā)明了光學(xué)諧振腔來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。同樣我們也不具體展開(kāi)光學(xué)諧振腔說(shuō)明的原理了……我們只需要知道，它對(duì)光的方向和頻率有選擇作用。
Ok，集齊以上法寶，一束方向性好、單色性好、能量集中、相干性好的激光就誕生了。
激光有哪些應(yīng)用？
我們用的光盤，就是用激光來(lái)讀取信息；
我們的激光照排系統(tǒng)讓我們告別了“鉛與火”；
激光還使得用光傳遞大量信息成為可能，沒(méi)有激光就沒(méi)有我們現(xiàn)在用的光纖；
全息攝影技術(shù)中也需要激光；
激光還用來(lái)切割、雕刻；
激光測(cè)距的精度也非常高；
在尖端的科研里，科學(xué)家還用激光來(lái)移動(dòng)原子，用激光來(lái)冷卻原子；
還有可控核聚變，得用高能激光束來(lái)引發(fā)；
…………
激光的用處實(shí)在是太多了。激光誕生到現(xiàn)在已經(jīng)五十多年，我們已經(jīng)難以想象如果沒(méi)有激光，我們的生活會(huì)變成什么樣子。
這也說(shuō)明了，現(xiàn)在的看似離我們很遙遠(yuǎn)的尖端科技，說(shuō)不定幾十年后就成了步入千家萬(wàn)戶、人們離不開(kāi)的東西。
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