2015 年是國際光和光基技術年（IYL2015），也是在這一年，聯合國教科文組織執行委員會(hui) 簽署通過了將每年的 5 月 16 日設為(wei) “國際光日”的決(jue) 定。

之所以選擇 5 月 16 日，是因為(wei) 在 1960 年 5 月 16 日，美國物理學家梅曼製造出了人類曆史上的第一束激光。

梅曼和紅寶石激光器。

所以激光到底是什麽(me) ？它又為(wei) 啥這麽(me) 重要呢？

要回答這兩(liang) 個(ge) 問題，我們(men) 就得好好了解一下梅曼這項工作的前因後果。

01

物體(ti) 為(wei) 什麽(me) 會(hui) 發光？

時間來到 1912 年，那時候的物理學家還在執著於(yu) 構成這個(ge) 世界的基礎——原子，到底長啥模樣。

這一年，丹麥物理學家玻爾的三篇論文發表，在這三篇論文裏，玻爾把量子理論運用在了盧瑟福的原子模型中，提出了著名的玻爾模型。

玻爾模型能解釋當時其他模型所不能解釋的現象，並且預測了一些之後通過實驗能夠證實的結果，因此之後得到科學界的普遍接受。

我們(men) 來看看這個(ge) 玻爾模型，玻爾模型是一種行星模型，也就是說，帶負電的電子就像行星一樣圍繞著帶正電的原子核運動。

玻爾模型的精妙之處在於(yu) 這些電子的軌道並不是隨便選擇的，而是隻能選擇一些確定的數值。

氫原子的玻爾模型。

最裏麵的電子軌道被稱為(wei) 基態，再外麵一層的軌道就叫第一激發態，再外麵就是第二激發態，以此類推。

玻爾模型就可以很好地解釋物體(ti) 為(wei) 啥會(hui) 發光，我們(men) 可以注意到這些不同的軌道上的電子能量是不一樣的，不妨把這些軌道“展平”，這樣我們(men) 就得到了一些能級。自發輻射能級。

由於(yu) 能量守恒的緣故，電子想從(cong) 低能級躍遷到高能級去，就得從(cong) 外界吸收對應的能量，這個(ge) 過程我們(men) 就叫它受激吸收。同樣的，電子從(cong) 高能級掉到低能級去，肯定也會(hui) 放出相應的能量，事實證明，這個(ge) 過程會(hui) 發出一個(ge) 光子，也就是說，電子會(hui) 發光，所以這個(ge) 過程被稱為(wei) 自發輻射。

我們(men) 生活中常見的普通光源的發光原理就是自發輻射。

日光燈。

02

讓光“聽話”

自發輻射產(chan) 生的光存在一些問題：原子中的能級很多，這些光子有可能是第一能級自發輻射產(chan) 生的，也有可能是第三能級自發輻射產(chan) 生的……

這就會(hui) 導致這些光子的能量不一樣，而單個(ge) 光子的能量就決(jue) 定了光的頻率，也就是說，自發輻射產(chan) 生的光頻率是隨機的。

還有一點就是，自發輻射產(chan) 生光子的時機，以及光子運動的方向也不受我們(men) 控製，這就會(hui) 導致自發輻射產(chan) 生的光，相位也是隨機的。

這裏所講的頻率、相位都是光作為(wei) 電磁波的一種屬性，頻率可以理解為(wei) 光波振動的快慢，它也決(jue) 定了我們(men) 看到光的顏色；相位可以理解為(wei) 光波傳(chuan) 遞的位置。

光作為(wei) 一種電磁波。

總之，普通光源產(chan) 生的光就像是一堆擠地鐵的人，他們(men) 有老有少，有男有女，穿著不同顏色的衣服去坐地鐵，而且走得還不一樣快，有的已經上車了，有的卻還在檢票。

這就導致普通光源雖然在生活照明上已經足夠用了，但是在科研領域，尤其是研究光的性質上，戰鬥力著實一般。

終於(yu) ，在 1917 年，另一種發光方式浮出水麵，那就是愛因斯坦提出的受激輻射理論。

受激輻射。

受激輻射理論就是說，現在假設第一激發態上有一個(ge) 電子，這時候有一個(ge) 光子打過來，而這個(ge) 光子的能量恰好等於(yu) 第一激發態和基態的差距，那麽(me) 這個(ge) 時候，第一激發態上的電子就會(hui) 在“受到誘惑”的情況下完成自發輻射，放出一個(ge) “一毛一樣”的光子。

由於(yu) 這個(ge) “誘惑光子”的存在，我們(men) 就稱這個(ge) 過程為(wei) 受激輻射。

如果在足夠多的高能級電子中，這個(ge) 過程會(hui) 一直延續下去，最終形成一大群被“誘惑”的光子，我們(men) 將這個(ge) 過程稱為(wei) 光放大過程，最重要的是，這些光子的相位和頻率是完全一樣的。就像是一支整齊劃一的部隊，和上麵“擠地鐵”的自發輻射完全不一樣。

03

造一台激光器總共分幾步？

第一步，粒子數反轉。

有了受激輻射理論之後，人們(men) 就在想，怎麽(me) 才能利用這個(ge) 理論，造一個(ge) 能發出整齊劃一的光的光源呢？

可能會(hui) 有讀者說，拿光照過去不就行了嗎？有什麽(me) 難的呢？

有這樣疑問的讀者要注意前麵提到的“足夠多”這三個(ge) 字，而且不要忘了我們(men) 的受激吸收現象。

如果高能級電子不夠多，受激輻射的次數少於(yu) 受激吸收的次數，這時候一束光打過來，並不會(hui) 發射光放大，而是會(hui) 被基態電子受激吸收，導致光損耗。

實際上，在自然情況下，基態電子數量要遠遠大於(yu) 激發態電子，以室溫為(wei) 例，一個(ge) 二能級係統（也就是隻有基態和第一激發態的能級係統）基態電子數量大概是激發態電子數量的 10 的 170 次方倍！

所以要想利用受激輻射原理製造一台光源，首先要解決(jue) 的問題就是使高能級的粒子數大於(yu) 低能級的粒子數，也就是實現粒子數反轉。

怎麽(me) 實現粒子數反轉呢？

基本的思路就是抽運，就像水泵一樣，把基態的粒子抽到高能態去。

說起來容易，做起來難。

水泵抽運粒子。

第二步，造一台前身。

1951 年，美國物理學家湯斯想到了如何在氨分子中實現粒子數反轉。

氨分子是二能級係統，在正常情況下是不可能實現粒子數反轉的，因為(wei) 受激吸收和受激輻射的概率是相同的，同時還有自發輻射存在，這就導致高能級的粒子數一定會(hui) 少於(yu) 基態粒子數。

湯斯的辦法非常巧妙，他利用磁場將基態和激發態的氨分子區分開來，單單挑出激發態的氨分子放到微波諧振腔裏，在這個(ge) 諧振腔裏實現了粒子數反轉。

三年之後，利用這個(ge) 想法，湯斯造出了第一台“MASER”。啥是 MASER 呢？

MASER的全稱為(wei) Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation，譯為(wei) “利用受激輻射對微波進行放大”。激光LASER的全稱為(wei) light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，譯為(wei) “利用受激輻射對光進行放大”。

上文我們(men) 提到光是一種電磁波，微波則是另一種電磁波。

電磁波可以按照頻率的大小來進行分類，微波的頻率在 300 MHz～300 GHz，而可見光頻率則是在 3.9～7.5 乘以 10 的 14 次方 Hz 之間。

從(cong) 名字我們(men) 就能看出 MASER 和 LAZER 的不同，主要在於(yu) 工作波段的不同，MASER 離 LASER 隻有一步之遙了。

湯斯和第一台MASER。

第三步，補全激光三大件。

MASER 的問世解決(jue) 了粒子數反轉問題。短短三年時間，這項技術就突飛猛進，這時候大家都希望能夠趕緊更進一步，把這個(ge) 微波放大器變成光放大器，造出那個(ge) 夢想中的光源，也就是激光。

至此我們(men) 已經能隱隱總結出組成激光器的三大部件了：

一是需要能實現粒子數反轉的物質，就像是氨分子，我們(men) 稱之為(wei) 增益介質；二是合適的抽運方法，我們(men) 稱之為(wei) 泵浦；三是上麵提到湯斯用的諧振腔，至於(yu) 諧振腔的作用我們(men) 後麵再說。

1958 年，湯斯和肖洛合作寫(xie) 了一篇理論文章，第一次從(cong) 理論上預言了激光的可行性。此時對湯斯來說，可謂萬(wan) 事俱備隻欠東(dong) 風！

結果大家也都知道了，湯斯本以為(wei) 自己是借風的周瑜，沒想到卻成了被風騙了的曹操。1960 年 5 月 16 日，梅曼另辟蹊徑，捷足先登，製造出了人類曆史上的第一台激光器。

關(guan) 於(yu) 梅曼如何捷足先登的故事，大家有興(xing) 趣可以去了解一下，可謂一波三折非常精彩。不過我們(men) 這裏還是把介紹重點放在他的紅寶石激光器上。

紅寶石激光器原理圖。

這個(ge) 激光器非常清晰地展示了激光器的三大部件，我們(men) 就不妨依次介紹。

增益介質：

梅曼選擇的增益介質是紅寶石，也就是摻鉻的三氧化二鋁。

三能級係統示意圖。

這種增益介質是一種三能級係統，這種三能級係統實現粒子數反轉的辦法，就比之前的二能級係統要簡單許多了。紅寶石的三能級係統有一些特別之處，我們(men) 通過它的抽運過程就能理解它是如何實現粒子數反轉的。

首先通過合適的激勵把基態粒子直接運上 E3 能級，而 E3 能級和 E2 能級之間存在無輻射躍遷過程，也就是 E3 上的粒子會(hui) 很快通過碰撞跑到 E2 上，減少的能量變成熱運動能量，而不是發光。

此外，E2 態是亞(ya) 穩態，就是 E3 能級上掉下來的粒子能在 E2 能級保持很長時間。這樣相當於(yu) 利用 E3 能級作為(wei) 一個(ge) 過渡，把基態的粒子運到了 E2 上，讓這個(ge) 過程一直進行下去，E2 的粒子數就會(hui) 超過基態粒子數，實現粒子數反轉。

其實紅寶石激光器的效率很低，隻有 0.1%，這是受增益介質的限製，因為(wei) 三能級係統需要很高的能量把基態粒子抽運到高能態去。此外，這個(ge) 激光器的波長為(wei) 694.3nm 也是由這種增益介質決(jue) 定的。

隨著激光的發展，增益介質的種類逐漸增多，包括氣體(ti) 、固體(ti) 、液體(ti) 、光纖、半導體(ti) 等等，比如教室裏常用的激光筆就是一種半導體(ti) 激光器。

總之，不管哪種增益介質，它都要有能實現粒子數反轉的方法。

泵浦：

第一台紅寶石激光器的泵浦燈。

梅曼的激光器最明顯的特征，就是它的泵浦光源是一個(ge) 螺旋形的氙氣燈，螺旋形可以保證把紅寶石棒放在燈管之間。此外這個(ge) 燈還是使用脈衝(chong) 光來抽運，也就是它發出的光不是連續的，而是一陣一陣的，這是梅曼最重要的設計，這樣就避免了連續的高能量抽運光損壞晶體(ti) 。

諧振腔：

諧振腔示意圖。

在紅寶石棒的兩(liang) 端，梅曼放了兩(liang) 麵鏡子，並在右邊的一麵上挖了一個(ge) 小洞，這樣受激輻射發出的光就能在增益介質中來回穿梭，得以“誘惑”更多的光子，達到一定強度後，激光就從(cong) 小洞裏射出。

04

激光到底有什麽(me) 用？

梅曼發明激光後召開了一場新聞發布會(hui) ，在那場新聞發布會(hui) 上就有記者問出了這個(ge) 問題，梅曼給出了 5 個(ge) 方麵的建議：

1.用來放大光，比如做高功率激光器的時候，都是用光放大器對比較弱的光進行放大；

2.可以用激光去研究物質；

3.用高功率激光光束做空間通訊；

4.用於(yu) 增加通訊的信道數量（這就是後來出現的光纖通訊）；

5.把光束聚焦，產(chan) 生超高的光強，用於(yu) 工業(ye) 上切割或焊接材料，或是在醫學上進行手術等等。

我們(men) 不得不佩服梅曼敏銳的科研嗅覺，他說的這些建議，日後一一應驗。

還記得受激輻射產(chan) 生光子的特點嗎？

它們(men) 的頻率和相位一致，而激光本質上就是對受激輻射光的放大，所以激光最重要的兩(liang) 個(ge) 特點就是單色性好和能量高。這兩(liang) 個(ge) 特點決(jue) 定了激光的用途，這也是激光器發展的兩(liang) 個(ge) 方向。

單色性好，就意味著激光頻譜很窄，很容易表現出光作為(wei) 波的特征，我們(men) 就可以用它來記錄相位信息。

比如 1947 年英國物理學家丹尼斯·蓋伯發明的全息照相技術，本質上就是利用光的相位來記錄物體(ti) 全方位的信息，使產(chan) 生立體(ti) 照相的效果。

全息照片不光能記錄正麵信息還能記錄側(ce) 麵信息。

直到激光發明之後，這種技術才有了實現的條件，並在 1971 年獲得了諾貝爾物理學獎。

能量高這個(ge) 就很好理解了，我們(men) 可以用激光來刻錄光盤，來促成核聚變，來切割材料等等。我們(men) 甚至不光可以產(chan) 生連續高能量的激光，還可以通過鎖膜技術和啁啾放大技術，來獲得能量高但是脈衝(chong) 持續時間非常短的激光。

鎖膜技術產(chan) 生脈衝(chong) 示意圖。

現在飛秒激光已經很普及了，這種激光單個(ge) 脈衝(chong) 的持續時間隻有飛秒（10 的負 15 次方秒）量級。

利用這種激光，我們(men) 就可以對物質進行精準打擊，而不至於(yu) 造成很大的破壞，比如近視眼修複手術，改變物質表麵，增強它的防腐性能等等。

05

結語

2018 年，啁啾放大技術的發明者也獲得了諾貝爾物理學獎，目前，光是與(yu) 激光相關(guan) 的諾貝爾物理學獎就有十幾個(ge) 。可以說，激光是20世紀以來人類最重大的發明之一。

在國際光日，如果有人問你：你相信光嗎？你就可以反問他一句：你相信激光嗎？

出品｜科普中國

作者｜小小長光人 中國科學院長春光學精密機械與(yu) 物理研究所