激光筆，激光切割，激光掃描——激光是如何被發(fā)明出來的？

行業(yè)動態(tài) 2022-04-30 17:30

出品：科普中國

制作：星之隊

監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心

“激光”的英文名全稱是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ,中文意思是，通過受激輻射產(chǎn)生的光放大。激光的”激”就代表著受激輻射。

（圖片來源于新浪微博，作者有改動）

這里的輻射，和我們常說的手機輻射、電腦輻射是不是一回事呢？別著急，后面我們會講。

其實生活在現(xiàn)代社會的我們，經(jīng)常會接觸到激光。比如，在學(xué)校，老師上課會使用激光筆；在醫(yī)學(xué)上，激光可以用來糾正視力上的缺陷；在工業(yè)上，我們可以用激光切斷鋼材和其他材料；在超市里，售貨員結(jié)帳的時候的用的電子掃描槍也利用了激光。

激光（圖片來自https://www.wissenschaft.de/）

激光是什么呢？普通的光又和激光有什么區(qū)別呢？

激光和普通的光完全不同日常生活中我們見到的光源大多數(shù)是不相干的光源，例如手電筒的光，太陽的光以及電燈泡里發(fā)出的光。所謂的不相干，是指從這些光源里面發(fā)出的光有兩個共同特點，都是由不同顏色的光組成，看起來都是白光，而且這些不同顏色的光，甚至是其中顏色相同的光，偏振的方向都不一樣

具體來說，第一，它們發(fā)出的光在各個頻率上都有分布，換句話說，它們是由各種不同的顏色組成的，這些不同顏色的光疊加在一起，發(fā)射到我們眼里，我們看到的都是白色的光。第二，這些不同顏色的光，甚至是其中顏色相同的光，偏振的方向不一樣。偏振就是指光的振動方向，比如說從智能手機屏幕里發(fā)出的光就是偏振的，當(dāng)我們帶著偏振墨鏡去看手機屏幕，只能從一個方向看到屏幕上的內(nèi)容。當(dāng)轉(zhuǎn)動屏幕到一定角度時，屏幕上的內(nèi)容會完全消失，這時手機屏幕光的偏振方向和墨鏡所允許的偏振方向完全垂直，所以我們看不到屏幕上的內(nèi)容。如下圖中的丙情況。

利用偏振片P產(chǎn)生的偏振光。（圖片來自http://www.xinhuanet.com/science/2018-07/20/c_137336876.htm）

激光則是完全相反的一類光。它具有很強的相干性，所以它只具有一種頻率。這也就是為什么我們看到的激光總是有顏色的，而且只有一種顏色。除了相干性之外，激光另一個重要的特點就是發(fā)散性很小，這也是我們平時看到的激光總是一條線的原因。而且由于這個原因，激光的功率也比普通的光大得多。

（圖片來源：Veer圖庫）

總之，激光就好像是好多人在列隊走方陣，大家的步伐，速度以及方向都是一樣，可控性強，行動力高。普通的光就好比廣場上的人群，大家的步伐，速度甚至是方向都不一樣，可控性底，行動力差。

從原子的層面去認識”光”

但正是由于激光這么特殊，要產(chǎn)生激光并沒有那么容易。

那么，我們平時所見的激光器，又是怎么被發(fā)明出來的呢？

在回答這個問題之前，我們先來說說光是怎么從原子里發(fā)出來的。一個原子要發(fā)出光，首先需要額外的能量把它從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)。基態(tài)可以理解為基本狀態(tài)，就是原子平時所處的能態(tài)，這就好比宿舍里的下鋪，待在下鋪最省能量。上鋪就相當(dāng)于激發(fā)態(tài)，需要費力才能上到上鋪。當(dāng)我們從上鋪跳下來時（實際上是從扶手梯上下來），我們在上鋪的能量會以振動的形式釋放到地板。

原子能級的基態(tài)和激發(fā)態(tài)（作者自制）

對于原子來說，當(dāng)它從激發(fā)態(tài)到基態(tài)時，釋放的能量就是電磁輻射，當(dāng)電磁輻射的頻率在可見光的范圍內(nèi)時，就是我們看到的光。當(dāng)然，多數(shù)原子存在不止一個激發(fā)態(tài)，這些激發(fā)態(tài)之間也是有能量差異的。當(dāng)原子從高激發(fā)態(tài)降落到低激發(fā)態(tài)，也是會發(fā)出電磁輻射的。日常生活中我們所說的什么手機輻射，電腦輻射其實就是一種電磁輻射，沒有什么特殊的，它們的輻射功率遠遠小于太陽光這個電磁輻射的功率，因此沒有必要十分擔(dān)心。而且也沒有科學(xué)證據(jù)表明手機或者電腦的電磁輻射對人體有什么危害。

在普通的光源中原子被隨機地激發(fā)到不同的激發(fā)態(tài)，然后又隨機地降落到比這個激發(fā)態(tài)能量更低的激發(fā)態(tài)或者基態(tài)上時，原子就會發(fā)出各種不同頻率（也就是不同顏色）的光，這樣光混合到一起就是我們平時所見的白光。要想實現(xiàn)激光，我們就必須把大量的原子激發(fā)到同一激發(fā)態(tài)，然后讓它們發(fā)出頻率、相位以及偏振方向一樣的光。實現(xiàn)這個目標(biāo)的關(guān)鍵過程之一就是受激輻射。

受激輻射的概念是愛因斯坦在1917年發(fā)表的關(guān)于輻射量子理論的論文里首先提出來的。這篇論文是激光發(fā)展史上重要的里程碑。

愛因斯坦為激光的誕生奠定理論基礎(chǔ)

要說這篇論文，還得從一場物理學(xué)革命說起。在1900年，量子力學(xué)的創(chuàng)立者普朗克發(fā)表了有關(guān)能量和輻射頻率的重要文章。在這篇文章里，普朗克首先提出了能量量子化的概念。

△阿爾伯特．愛因斯坦，二十世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家之一（圖片來自https://www.wikiwand.com/en/Albert_Einstein）

能量量子化指的是從輻射源輻射出來的能量不能取任意小的值，能量只能是某個最小值的整數(shù)倍。普朗克發(fā)表了這篇文章后，并沒有意識到自己文章的重要性，他一直以為能量量子化只是權(quán)宜之計，在未來一定會有某個經(jīng)典的理論可以解釋它。但是愛因斯坦讀了他的文章后，敏銳得意識到了這篇文章所傳達的重要物理意義，并在1905年寫了有關(guān)光電效應(yīng)的文章，首次提出了光量子的概念。1905年,愛因斯坦還發(fā)表了有關(guān)狹義相對論的文章，將物理學(xué)帶入了＂高速＂的時代。

狹義相對論著名的鐘慢效應(yīng)（圖片來自https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.113.12040

在1905年發(fā)表了有關(guān)光電效應(yīng)和狹義相對論的文章后，愛因斯坦很快在整個物理界獲得了名譽，但是他并沒有就此止步，在整個世界還在適應(yīng)狹義相對論所帶來的震撼時，他已經(jīng)開始思考有關(guān)廣義相對論的問題了。從1905年到1915年整整十年，愛因斯坦幾乎是獨自一人構(gòu)建了廣義相對論的大廈。在1915年發(fā)表了有關(guān)廣義相對論的文章后，他的注意力才又開始轉(zhuǎn)向物質(zhì)和輻射（激光就是輻射的一種）的相互作用方面。并在1917年提出了受激輻射的概念。

△廣義相對論指出，在大質(zhì)量天體周圍的時空會產(chǎn)生彎曲，這種彎曲已經(jīng)被現(xiàn)在的觀測所證明（圖片來自https://www.space.com/17661-theory-general-relativity.html）

在解釋受激輻射之前，我們先提一下什么是自發(fā)輻射（或者自發(fā)發(fā)射）。自發(fā)輻射的概念也是由愛因斯坦提出來的。他指出，一個孤立的受激原子可以通過發(fā)射光子返回比它所在的激發(fā)態(tài)更低的能態(tài)，這個過程就是自發(fā)輻射。我們?nèi)粘Ｉ钪兴姷降臒晒饩褪堑湫偷淖园l(fā)輻射現(xiàn)象。在提出了自發(fā)輻射的概念后，愛因斯坦進一步推測，光子更喜歡在同一狀態(tài)下一起旅行。對于一群處于相同的激發(fā)態(tài)的原子的集合，它們會隨機地發(fā)生自發(fā)輻射。但是，如果一束頻率相同的光子射向這群原子，這些光子將刺激這些原子盡早釋放自己的光子，而這些由原子釋放的光子將以與入射光子相同的頻率和相位在相同方向上傳播。這就是受激輻射。

原子的自發(fā)輻射和受激輻射示意圖（原創(chuàng)圖）

從理論到實踐，三位關(guān)鍵人物

愛因斯坦提出受激輻射的概念后，激光似乎離我們很近了，但是直到1940年代和1950年代，物理學(xué)家才發(fā)現(xiàn)該概念的用途。這主要是要使大量的原子同時處于激發(fā)態(tài)并沒有那么容易實現(xiàn)，因為它們總是會發(fā)生自發(fā)輻射而離開激發(fā)態(tài)，更別談利用受激輻射去激發(fā)它們了。

實現(xiàn)激光應(yīng)用的關(guān)鍵人物是查爾斯·湯斯（Charles Townes）。查爾斯·湯斯在第二次世界大戰(zhàn)期間曾從事雷達系統(tǒng)的研究。戰(zhàn)爭結(jié)束后，他將注意力轉(zhuǎn)向了分子光譜學(xué)，該技術(shù)主要研究的是分子對光的吸收。分子光譜學(xué)用光子轟擊分子的表面，并分析散射的輻射以確定分子的結(jié)構(gòu)。

△查爾斯·湯斯（1915年7月28日－2015年1月27日），激光發(fā)明的先驅(qū)者（圖片來自：https://en.wikipedia.org/wiki/Charles_H._Townes）

1951年4月26日，當(dāng)湯斯在華盛頓的一個公園散步時，他突然有了一個靈感，那就是可以利用受激輻射的原理去產(chǎn)生高強度的微波束來研究分子。在這種想法的引導(dǎo)下，他1953年在美國哥倫比亞大學(xué)建造了第一臺maser (microwave amplification by stimulated emission of radiation) 通過受激輻射產(chǎn)生的微波放大，也被稱為微波激射器。因為發(fā)明微波激射器，查爾斯·湯斯獲得了1964年的諾貝爾物理學(xué)獎。微波激射器發(fā)明出來后，我們距離激光的誕生就只有一步之遙了（maser和laser僅僅差了一個字母）。

查爾斯·湯斯和他發(fā)明的微波激射器．（圖片來自https://www.independent.co.uk/news/people）

1958年，查爾斯·湯斯和他的姐夫亞瑟·肖洛（Arthur L. Schawlow）意識到只要對微波激射器稍加改造，就可以產(chǎn)生可見光范圍內(nèi)的受激輻射。他們提議在原型maser的腔的兩端各安裝一個反射鏡，然后射入特定波長的光子，這些光子會從反射鏡反射并來回穿過介質(zhì)，這些光子就會不斷激發(fā)原子產(chǎn)生受激輻射，從而在相同波長下發(fā)射更多的光子。后來這兩個人寫了一篇詳細介紹他們的概念的論文發(fā)表在了《物理評論》上。兩年之后的1960年，休斯飛機公司的西奧多·邁曼（Theodore Maiman）制造了第一臺紅寶石激光器。從此，人類打開了激光時代的大門。