激光，在生活中無處不在，卻又神秘莫測。不知道大家是不是和我有一樣的疑問：我們(men) 身的激光打印機也沒什麽(me) 稀奇的，激光筆低價(jia) 的才幾元一支，為(wei) 什麽(me) 老師一邊拿著這麽(me) 便宜的激光筆在黑板上指指點點，一邊又說激光是高科技，國之重器呢？

世界上第一台激光器剛剛度過了它60歲的誕辰（1960年5月16日世界第一台激光器——紅寶石激光器誕生），今天小編就來給大家仔細講講激光究竟是一個(ge) 什麽(me) 樣的東(dong) 西，和我們(men) 的生活又有什麽(me) 關(guan) 係。

第一台紅寶石激光器

普通光為(wei) 自發輻射，但激光為(wei) 受激輻射

首先要弄清楚光源發光的機理。我們(men) 日常生活中的普通電燈所發出的光通常源於(yu) 自發輻射。以最簡單的白熾燈為(wei) 例，首先給燈絲(si) 通以電流，燈絲(si) 就會(hui) 發熱，這時燈絲(si) 原子的核外電子就會(hui) 吸收熱能，從(cong) 較低的能級躍遷到較高的能級去。這就好像給電子充錢成為(wei) VIP 電子，不過人家是良心商家，隨時可以退款，當了一陣 VIP 以後覺得沒意思，電子又從(cong) 高能級躍遷回低能級去，這時為(wei) 了滿足能量守恒定律，電子不會(hui) 白白跌回去，而是會(hui) 同時向外輻射出一個(ge) 光子，這就發光了。注意這時電子是自己不想當 VIP 了所以跳回去，因此叫做自發輻射。自發輻射的特點就是各個(ge) 光子之間相互獨立，沒有規律，所以普通電燈發出的光是射向四麵八方的，並且輻射的頻率也不確定，比如發白光的日光燈就包含七種單色光，白熾燈所發的黃光也不是真正的單色光，而是包含了一定的波譜寬度的。

音樂(le) 會(hui) 上的激光燈

激光之所以區別於(yu) 普通光源，就在於(yu) 其發光機理是受激輻射。在介紹受激輻射之前，我們(men) 先來看看激光這個(ge) 名字的由來。想必大家知道激光的英文名 Laser，年紀稍長的朋友可能還租過鐳射影碟，“鐳射”就是英文單詞 Laser 的音譯。這個(ge) 單詞並不是憑空新造的一個(ge) 詞，而是取自激光本意 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的首字母縮寫(xie) ，含義(yi) 是“受激輻射的光放大”，即通過受激輻射產(chan) 生的光經過放大之後，中文名字的“激光”是在錢學森的建議下經討論後正式采用的。

說來說去，那受激輻射究竟是什麽(me) 呢？且看下麵這張圖：

自發輻射（左）和受激輻射（右）

圖中水平的兩(liang) 條橫線E₂和E₁表示電子的能級，越高表示電子的能量越高（VIP 等級越高），左邊自發輻射電子從(cong) 高能級向低能級躍遷，同時輻射出一個(ge) 能量等於(yu) 兩(liang) 能級能量差的光子；而受激輻射則是在外加光子的作用下，輻射出一個(ge) 完全一樣的光子，這就是所謂“受激”的過程。這裏再補充一下， hν在是一個(ge) 光子的能量，其中h是普朗克常數，可以不用管它，而ν則是光的頻率，它直接決(jue) 定了我們(men) 看到的光的顏色，每一個(ge) 頻率都對應著一個(ge) 確定的顏色，下表列舉(ju) 了可見光所對應的頻率和波長範圍（波長和頻率也是一一對應的）。我們(men) 可以看到，紅橙黃綠青藍紫，光的頻率是逐漸增高的，這也就是為(wei) 什麽(me) 我們(men) 生活中看到溫度越高的光源，其顏色越偏向藍色。

預覽

前麵已經說到，受激輻射是在外加光場的作用下，產(chan) 生一個(ge) 完全相同的光子的過程。這個(ge) 外來的光子，可以是自發輻射產(chan) 生的，也可以是人為(wei) 注入的種子光，總之它進來了以後，出去的時候就會(hui) 帶著一個(ge) 一模一樣的好兄弟。所謂一模一樣，就是說兩(liang) 個(ge) 光子無法分辨，相當於(yu) 一個(ge) 複製放大的過程，如果再這個(ge) 過程的出口加上反射鏡，這兩(liang) 個(ge) 光子又被反射回來，再來一次受激輻射，變成四個(ge) 光子，如此反複，最終形成了激光。到此為(wei) 止，我已經簡要說明了激光產(chan) 生的過程，但想必各位心中還憋了老多疑問，大家稍安勿躁，我待會(hui) 會(hui) 一一介紹，現在我們(men) 不妨來看看前述過程的幾個(ge) 動畫，可以點右側(ce) 的箭頭來播放。

激光產(chan) 生的原理就是受激輻射，這個(ge) 其實非常簡單，早在 1916 年愛因斯坦就已經提出該理論。但要想製造出穩定的激光器，還是破費一番周折，直到 44 年後方才實現。激光器有三大要素：工作物質，泵浦源（或激勵源），諧振腔。這三個(ge) 陌生的名字隻怕一看就令人望而生畏，其實隻是紙老虎而已，聽我慢慢說來。所謂“工作物質”，就是發光的東(dong) 西，相當於(yu) 燈絲(si) （對於(yu) 第一台激光器而言，工作物質是紅寶石）；而泵浦源，簡單可以理解為(wei) 電源，通過通電不斷使得工作物質的電子從(cong) 低能級被泵浦到高能級，也就是激光器的能量提供者（VIP 讚助商）。諧振腔，其實就是兩(liang) 塊反射鏡，我們(men) 看激光器的模型動畫：

對著這個(ge) 動畫，我們(men) 再把激光產(chan) 生的過程仔細解釋一遍。首先工作物質被泵浦源充值為(wei) VIP，產(chan) 生了自發輻射。自發輻射的光子是射向四麵八方的，大部分就溜走了，但是垂直射向反射鏡方向的光子卻被反射回來，由此不斷地進行受激輻射的過程，不斷放大——這就是諧振腔的“自然選擇”過程。左邊這塊鏡子是完全反射的，右邊這塊鏡子則可以透過一部分，反射一部分，透過的那一部分就變成了激光輸出，反射的那一部分則作為(wei) 投資的本錢繼續放大，最終就形成了連續穩定的激光輸出。注意這裏諧振腔如果是兩(liang) 個(ge) 平麵鏡構成，就叫做平平腔；也可以由一個(ge) 平麵鏡和一個(ge) 凹麵鏡組成，叫做平凹腔，所以業(ye) 內(nei) 一向認為(wei) 賈平凹是搞激光的。

平平腔（左）和平凹腔（右）

想必各位已經聽得不耐煩了：我隻關(guan) 心激光能幹什麽(me) ，你講這麽(me) 多原理幹什麽(me) ？其實仔細看了上麵的過程的童鞋就會(hui) 知道，激光的特性與(yu) 它發光的機理是分不開的：首先是受激輻射的過程保證了激光的單色性（每個(ge) 光子的頻率都是一樣的，顏色也就唯一）和相幹性（這對於(yu) 全息術等應用有重要的意義(yi) ），通過諧振腔選出的光束具有很好的方向性（可以用於(yu) 定向打擊、測距等），最重要的還是激光的高強度高功率特性。

下麵我就專(zhuan) 門來講講激光的應用領域，你會(hui) 發現多到難以想象，真的是無處不在。

我們(men) 身邊的激光

激光筆

首先回到我們(men) 開篇的問題，激光筆還有收銀員用的條碼機可能是我們(men) 生活中最常見、最便宜的激光器了。激光筆的功耗也很小，似乎也沒什麽(me) 殺傷(shang) 力，很難把它和我們(men) 印象裏的威力巨大的激光聯係起來。但激光筆的的確確是一個(ge) 固體(ti) 激光器。激光筆一般都是紅色，也有藍色綠色的，但激光器是不會(hui) 發出“白光”這樣的複合光的；而且激光筆可以傳(chuan) 輸很遠的距離還能在牆上形成一個(ge) 小光斑，這說明其方向性很好；如果你不小心直視了激光筆，那一下眼睛還是受不了的，可見在它管轄的很小的光束範圍內(nei) ，所集中的能量還是很強大的。這些都是普通光源所無法實現的特性。

切記，不可直視激光筆！

激光加工

激光筆之所以便宜，就因為(wei) 其功率低，工作物質是常見的半導體(ti) 器件，一般激光功率不大於(yu) 5 mW。我們(men) 平時生活中還會(hui) 用到的激光打印機也是使用這樣低功率的激光器。不過，目前世界上功率最高的激光器已經可以達到拍瓦量級（10¹⁵ W），相當於(yu) 全球電網平均功率的 500 倍。什麽(me) ？比全球電網功率還高 500 倍？那誰給激光器供電呢？其實對於(yu) 這種大功率激光器來說，都不是像激光筆那樣可以連續發光的了，而是脈衝(chong) 式的：先讓激光在諧振腔裏不斷振蕩放大，並不輸出；等積累到了一定的程度，忽然開閘泄洪，勢不可擋。這樣輸出的激光脈衝(chong) 不僅(jin) 能量大，而且脈衝(chong) 持續時間極短，可以達到飛秒量級（10^-15 s），也就是說在這樣短的一瞬之間，將所有的光全都釋放出去了，故而才有極高的峰值功率，因此常把這種激光器叫做超快激光器。

脈衝(chong) 持續時間短是這種激光器具有巨大價(jia) 值的重要原因，例如下麵幾張激光加工的圖片就是小編自己在實驗室實現的。由於(yu) 激光的脈衝(chong) 時間短，激光剛剛射到我們(men) 的材料上，脈衝(chong) 便即結束，迅速作用材料而不會(hui) 因為(wei) 巨大的能量導致熔化周圍的區域——如武林高手一般出手如電，材料還沒反應過來就已經被加工完成了。相比傳(chuan) 統機械或焊接加工，激光加工的優(you) 勢在於(yu) 可加工材料範圍廣泛，效率高，加工尺度極小，實現超精細“冷加工”。我們(men) 的手表等很多精密儀(yi) 器其核心零件都采用激光加工的方式實現。

這是小編親(qin) 手用激光雕刻做的超能網logo

小編用激光雕刻的樹葉

激光內(nei) 雕

這張激光內(nei) 雕的圖還需解釋一下，它是在一塊實心的玻璃內(nei) 部雕刻出來了一個(ge) 三維的吉他的圖案。怎麽(me) 能在內(nei) 部加工而不損傷(shang) 外部呢？其實也很簡單，好比用放大鏡聚焦太陽光以後可以點著螞蟻一樣，通過控製激光的聚焦程度便可在不損傷(shang) 外部玻璃的情況下穿透進去，在我們(men) 需要的地方實現激光聚焦，進行加工了。這樣高能、高精度、超短的激光脈衝(chong) 還可以用於(yu) 激光手術，治療近視眼就是最典型的例子，實現微創甚至無創手術。

激光的各優(you) 點的應用：光纖、測距等

上述激光加工主要應用的還是激光的高能、短脈衝(chong) 特性，這裏再簡單介紹幾個(ge) 的其他優(you) 點具有哪些應用。

首先是單色性或相幹性，在物理上這兩(liang) 者實際上是等價(jia) 的，這涉及到深奧的電磁理論，就不細講了。那麽(me) 單色有什麽(me) 好處呢？和我們(men) 最密切相關(guan) 的是用在光纖通信中。要知道，光纖並不是真空的管子，而是類似於(yu) 玻璃的介質，而不同顏色的光在介質中傳(chuan) 輸時速度是不一樣的，這就是為(wei) 什麽(me) 白光經過三棱鏡以後會(hui) 分解成七色光——而激光的單色性就使得光信號在光纖中傳(chuan) 輸時不會(hui) 發生這樣的色散，從(cong) 而保證了通信的質量；此外，為(wei) 了提高信道的利用率，一條光纖中往往會(hui) 傳(chuan) 輸多個(ge) 光束，正因為(wei) 其頻率不同，才可以進行區分（這叫頻分複用技術）；更為(wei) 重要的是，激光具有相幹性，用它來攜帶信息才能解碼為(wei) 電信號，供數字設備使用。激光的相幹性在全息成像、全息防偽(wei) 等應用也是技術關(guan) 鍵所在，全息術的實現者也在 1971 年被授予了諾貝爾物理學獎。

全息成像技術

激光的另一大優(you) 點就是方向性好。這個(ge) 最典型的應用就是激光測距，從(cong) 地球發出一束激光傳(chuan) 到月球表麵，在月球表麵的光斑直徑不過兩(liang) 公裏，足以反射回來完成測量。在某寶上也可以買(mai) 到幾十幾百塊錢的激光測距儀(yi) ，不過這樣的測距儀(yi) 和激光筆一樣，也屬於(yu) 半導體(ti) 激光器，方向性不是特別好，隻能測百餘(yu) 米的距離，想測月球那是萬(wan) 萬(wan) 不能了。小編曾經做過改善這種測距儀(yi) 的設計，使得其可以測到近千米的範圍。激光的方向性保證了它可以攜帶較高的能量傳(chuan) 輸極遠的距離，激光測速、激光雷達乃至激光武器都是利用了激光的這一特性。

高端應用：激光質子放療、物質成分檢測

講完了在日常生活裏能接觸到的激光應用，我們(men) 再來看看激光在前沿領域有哪些高大上的應用。

2018 年的諾貝爾物理學獎，授予了光鑷技術的發明者。光是一種物質，也具有能量和動量，光照在物體(ti) 時會(hui) 產(chan) 生壓力，稱為(wei) “光壓”。平時太陽光照在身上，產(chan) 生的光壓微不足道，因此我們(men) 沒有察覺，但激光非同小可，通過激光形成的光鑷可以用於(yu) 操控基本粒子乃至生物細胞這樣的微小事物移動排列，在物理學和生物學研究領域都有相當重要的應用。

利用此前所述的超快激光器所產(chan) 生的巨大光壓還可以將電子和質子從(cong) 薄靶中打出，形成高能量的電子束和質子束，可以用於(yu) 癌症的質子放療。質子放療的優(you) 勢在於(yu) 能夠精確獵殺癌細胞而不會(hui) 損傷(shang) 正常的組織細胞，這也是目前正在迅猛發展的研究領域。

激光驅動粒子加速

在建的激光質子放療係統

激光作用在材料表麵產(chan) 生的等離子體(ti) 也會(hui) 輻射出光譜，通過測量這些光譜就可以分析出材料的物質成分，比之傳(chuan) 統的化學檢測方法，有著微創、快速、準確的優(you) 勢，在珍貴的文物勘探、食品檢測、生物醫學、地質勘探、海洋探測、太空探測等領域有著不可替代的作用。

激光檢測物質成分

激光光壓不僅(jin) 可以加速粒子，也可以使粒子減速，1997 年諾貝爾物理學獎的授獎內(nei) 容就是“激光捕捉及冷凍原子”，通過減速粒子達到激光冷卻的效果。光鑷的發明和這項技術是分不開的，2001 年諾貝爾物理學獎也是通過激光冷卻實現的，此外激光冷卻還在原子鍾、原子幹涉儀(yi) 等高科技設備裏有著決(jue) 定性的作用。

因激光的單色性所實現的光學頻率梳可以用於(yu) 高精度的測量而獲得 2005 年諾貝爾物理學獎，超分辨熒光顯微鏡獲得 2014 年諾貝爾化學獎，等等不勝枚舉(ju) 。這些我們(men) 平時難以接觸的前沿領域已經越來越離不開激光的幫助，並越來越需要更強更快的激光器，激光和其他科技的發展相輔相成。

激光是互聯網之核心，現代製造業(ye) 之基石

激光與(yu) 半導體(ti) 、計算機被譽為(wei) 20世紀中期的三大發明，在誕生的半個(ge) 多世紀以來為(wei) 人類創造了巨大的物質財富。截至 2018 年，共有 28 為(wei) 諾貝爾獎得主的研究領域與(yu) 激光相關(guan) 。激光，已經成為(wei) 我們(men) 賴以生存的科技社會(hui) 的一個(ge) 不可或缺的組成部分，激光是互聯網的核心，是現代製造業(ye) 的基石，是感知世界的手段，是探索未知世界的工具，可以預見激光將會(hui) 繼續在各個(ge) 領域扮演重要的角色，其未來的發展將會(hui) 不可限量。