如虚如实说 | 激光是什么？如何产生的？
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激光源自英文“Laser”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），意为由受激辐射引起的光放大。1964年，当这个技术传到我国时，钱学森先生（1911—2009）为它定了这个名字。在民间它还有一个颇为霸气的译音名字“镭射”。
在自然界中没有激光。激光的发明源自伟人的卓识远见和洞察入微，而激光技术的发展则是几代科学家与工程师们不懈努力的结果。
激光是什么？
我们先来看看光。光是光子（Photon）产生的。
爱因斯坦
1905年，爱因斯坦（（Albert Einstein，1879—1955）在他关于光电效应的**中首先提到光子的概念。光子是组成物质的基本粒子之一。光子非常小，静止时没有质量。
根据量子力学的原理，当电子从势能较高的外层跌入势能较低的内层时，相应的原子核会释放出光子，从而产生光。跌落的层数越多，光子的能量越大（图1（b））。这一过程是可逆的，当光子射入时，原子核会吸入光子，而电子则因为获得了能量，从势能较低的内层迁移到势能较高的外层（图1（a））。
注意：物质是由原子组成的。一颗沙砾就有3×10²³个原子（参见广东科学中心「院士说」| 原子为什么那么小？），一个原子有多个光子，因此光子的数目是无穷尽的。
图1，光的吸收与产生
我们可以想象一个原子像一个西瓜，它的光子就像西瓜籽。西瓜放在一个阶梯上（其电子势能较高），推它一下，西瓜摔下阶梯，掉到地上（电子势能较低），此时它会弹出西瓜籽（发光）。尽管西瓜有很多很多，但要被推动才会从阶梯上掉下来。因此要发光就需要加入能源。此外，西瓜籽可能会飞向任何一个方向，所以光也四散开去。
激光的特点在于它所有的光子都以同样的波长、同样的相位一起运动。我们可以想象阶梯上有许许多多一模一样的西瓜，一批被推倒摔到地上的西瓜发射出西瓜籽，有些西瓜籽会撞到另一批在阶梯上的西瓜，把这些西瓜推倒摔到地上，射出一模一样的西瓜籽。如此循环往复。多批西瓜籽叠加在一起，越叠越多，这个过程叫做“自激放大”。
1917年爱因斯坦在提出了“自激放大”的理论。他把这个过程叫做“受激发射（Stimulated Emission）”，并预测光子会按照同样的波长来发射。不过，科学家们用了四十多年才实现了激光技术。
激光的实现要解决两个技术问题：
一是掉在地上的西瓜不再能发射西瓜籽，因此必须重新搬上台阶。这可以通过加入电能或光能来解决，技术上叫做“抽取（pumping）”。
二是要让西瓜子沿着一个方向发射出去，这需要使用发射激光材料做成的“共振腔（oscillator）”。
图2展示了红宝石激光的工作原理。加入电源（或光源），红宝石的原子会被激发（图2（a））。原子向四面八方发射出光子（图2（b））。部分光子沿共振腔的轴向运动，碰到反光镜折回（图2（c））。部分光子通过另一侧的微孔射出，形成单色、单相、柱状的激光（图2（d））。
（a）加入电源激发共振腔中的原子
（b）原子向四面八方发射出光子
（c）部分光子沿共振腔的轴向运动，撞到反射镜后折回
（d）共振腔的另一侧是带微孔的反射镜，部分光子被反射折回，部分光子通过微孔射出，形成相同波长、相同相位、柱状的激光
图2，激光形成的原理图解
细心的读者会问光子的发射时间有先有后，怎么会变得同相（没有先后）的呢？1924年爱因斯坦收到了印度学者萨特延德拉·玻色（Satyendra Nath Bose，1894—1974）的一封来信。
玻色出生于一个印度的中产阶级家庭。他自幼聪明过人，在学校读书总是第一名，大学毕业后玻色留校工作（图3）。他通晓英文、德文和法文，还会音乐。他曾经把爱因斯坦相对论的文章译成英文。
玻色写了一篇关于原子中基本粒子的文章投到《德国物理学报》被拒，所以写信给爱因斯坦求助。爱因斯坦觉得玻色的文章很有创意，帮他做了一些修改，并亲自再投同一学报，使文章得以发表。
不久，爱因斯坦自己写了一篇文章，把玻色的理论推进了一大步。因此有了“玻色—爱因斯坦凝聚态”（Bose—Einstein condensation）及“玻色—爱因斯坦统计量”（Bose—Einstein statistics）。前者是超导的基础，后者说明了光子会同步的原理，激光就是基于这一原理。
玻色虽然多次被提名，但终于未能获得****。不过，他的名字被用于命名一类基本粒子：玻色子（boson），斯人不朽。
图3，印度学者萨特延德拉·玻色
查尔斯·汤斯
1954年，美国哥伦比亚大学的查尔斯·汤斯（Charles Hard Townes，1915—2015）首先做出激光器。由于使用的是微波（microwave），所以他把他的激光器叫做“Maser”（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。这个激光器用氨做“共振腔”，功率只有10纳瓦（nW）。
图4，查尔斯·汤斯和他的激光“Maser”
同年，莫斯科列别捷夫物理研究所（Lebedev Physical Institute）的两位科学家尼古拉·巴索夫（Nikolai G. Basov，1922—2001）和亚历山大·普罗霍洛（Alexander M. Prokhorov，1916—2002）发明了“抽取”（把原子从低势能提升到高势能）的方法。
在接下来的数年中，汤斯和他的团队一直在努力提高激光器的功率与效率。他听说学校里有一位研究生戈登·古尔德（Gordon Gould，1920—2005）善于做实验，就请他来聊聊。
古尔德曾经参加过“曼哈顿计划”，但因为**原因被列入黑名单，他在社会上闯荡了几年后决定回学校念书。他了解了汤斯的工作计划后决定自己干。不久，他退学加入一个小公司并很快写出了专利。
专利中他用了“laser”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）这个词。不过，当他递交专利申请书时发现汤斯等人已经通过贝尔实验室（Bell Lab）申请了专利。古尔德坚持“Laser”与“Maser”完全不同，从此开始了长达30年的专利之战。
1964年，汤斯和巴索夫及普罗霍洛分享了诺贝尔物理学奖。此时，人们都已经认识到激光的价值，各大公司、科研院校纷纷投入重金研发。新技术层出不穷，新的应用也不断涌现。
激光有四个重要性质：
（1）方向性，一般的光会四处散去，但激光只朝一个方向传播。普通的点光源散射出去，在2千米处会散成一个2千米宽的圆盘。激光发射到2千米处，光斑也只有20毫米大小。
（2）单色性，激光只有一个波长，所以只有一个颜色。
（3）一致性（coherence），激光没有相位差，因此可以聚焦在很小的一点上。
（4）高强度，由于是直线传播，激光衰减得很慢。普通的100瓦灯泡在300毫米开外就只剩下千分之一瓦了。但激光极少衰减，因此1瓦的激光在300毫米处要比100瓦灯泡强数千倍。
赫伯特·克罗默
鲁道夫·卡扎里诺夫
卓尔斯·阿尔费罗夫
1963年，美国加州大学圣巴巴拉分校的赫伯特·克罗默（Herbert Kroemer，1928—）和俄罗斯圣彼得堡约飞（A.F. Ioffe Institute）物理技术研究所的鲁道夫·卡扎里诺夫（Rudolf Kazarinov，1933—）和卓尔斯·阿尔费罗夫（Zhores Alferov，1930—）提出了半导体激光器。他们因此获得了2000年诺贝尔物理学奖。
同年还出现了飞秒激光（femtosecond laser）的想法。图2中讲到激光是连续发射的，所以叫做连续波（Continuous Wave，CW）激光（图5（a））。连续波激光会加热靶点附近的材料，影响其性能。
贝尔实验室的科学家们发明了锁模（mode-locked）技术，从而产生脉冲（pulse）激光。脉冲激光把激光能量**在极短的时间，因此发热很小（图5（b））。当激光脉冲达到飞秒（10⁻¹²秒）时，激光变成了冲击波，直接击碎靶点，不会对周边材料造成影响（图5（c））。
图5，连续激光与脉冲激光
激光应用早在1960年代就开始了。
1961年，激光首先用于切除眼部的肿瘤。今天许多眼科手术都使用飞秒激光（图6）。
图6，激光眼科手术
1962年，激光用于**机械表芯的弹簧，今天激光**、激光切割和激光3D打印是常用的制造工程设备。
激光测量有独特的优势。由于其聚而不散的性质，它可以直接测量距离。激光雷达用的就是这个原理。此外根据激光单色、单相的特点，它还可以用作激光干涉仪（参见 如虚如实说 | 你知道光是怎么传播的吗？ ）。另外激光还可用于光谱分析（参见如虚如实说 | 你知道光谱有什么用么？ ）。
激光也是现代计算机**不可或缺的配套技术。计算机网络用的光纤，计算机数据存储的光盘（CD，DVD，LD），激光打印机，激光扫描仪···这方面的内容我们将另文介绍。
此外，激光还能产生极端环境以进行各种各样的科学实验。例如激光还能产生比太阳表面还要高的温度，从而启动核聚变（图7）。
图7，激光启动核聚变
朱棣文
激光还能制冷。
1985年，贝尔实验室的美籍华裔学者朱棣文（Steven Chu，1948—)和他的同事们设计了一个激光****“laser molasses”。这个**使用6个激光（图8），在上下左右前后6个方向轰击原子，把原子的运动速度从光速减少到几乎为零，因此把原子的温度降低到接近绝对零度（240°µK），从而可以更好地研究量子力学原理。
1997年朱棣文和他的同事荣获诺贝尔物理学奖。
图8，朱棣文和他设计的激光****
今天，常用的激光器有多种，例如在激光表演中蓝色的是氩气（Argon）激光，波长为488纳米；绿色的是氦氖气激光，波长为543纳米；红色的是红宝石（Ruby，CrAIO₃）激光，波长为694纳米。
还有许多看不见的激光，如用于半导体刻蚀的氟化氩（Argon fluoride）激光，波长为193纳米，是紫外激光。用于外科手术的Nd:Yag激光，波长为1064纳米，是近红外激光。 还有**和切削用的二氧化碳（CO₂）激光，波长为10600纳米，是远红外激光。
为了使用安全起见，激光也按其功率做了分类：
● I类对人类没有影响；
● I.A类最大功率为4.0微瓦（mW），不建议直视；
● II类最大功率微1微瓦（mW），直视可能会受伤；
● III.A类，功率为1~5微瓦（mW），激光笔通常在这个范围内，直视会造成视力受损；
● III.B类，功率为5~500微瓦（mW），这一类为中等功率的激光；
● IV类，这一类是大功率激光，连续波激光的功率在 500 微瓦（mW）以上，脉冲激光的功率在 10焦耳/平方厘米（J/cm² ）以上。直视这一类激光可导致失明，必须严格管理。
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