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87 自然界并不天然存在的光:激光

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激光在我们的日常生活中已经非常普遍了。激光的能量密度非常高,可以用来做切割。激光也是一个理论先于实验的案例。激光理论最早是由爱因斯坦提出的,但过了约50年,科学家才发明出真正的激光。

激光(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)简称LASER,全称受激辐射,中国香港、中国台湾地区翻译为镭射。简单理解:激光是一堆光子频率一样,振动步调也一样,振幅会形成干涉相长的相干电磁波。波的干涉原理让激光的功率极高,可用作激光切割。

激光的原理完全是量子力学。一个原子里,电子处在能量较低的能级,如果给原子提升能量,电子就会跑到能量高的激发态。如果给一堆原子持续注入能量,直到过半数原子都处在较高能级,根据能量最低原理,处在高能级的电子不稳定,倾向于掉落到低能级并释放出一个光子。这个光子出现后会影响处在高能级的别的原子。这个原子被这个光子干扰了之后也从高能级掉落回低能级,放出一个光子。这个光子就跟刚才干扰它的光子变成了“双胞胎”,频率一致并且振动步调相同,也就是相位一样。这两个双胞胎光子就去干扰下一个原子,变成三胞胎、四胞胎……N胞胎光子出现,它们频率一致,振动步调一致,功率强劲,这便是激光。

当然,如果只是在放置原子的腔体里产生的激光,其运动方向是随机的。所以要用一个特殊装置使得激光最后可以往一个方向射出。这个装置是一个谐振腔,结构是一根圆柱体,底面有两面是镜子,要把两面镜子调节得无比平行,只有这样,垂直于两面镜子的激光才能汇聚成一条直线。并且谐振腔的长短要经过调节,使其长度刚好是激光波长的整数倍,如此激光才能在谐振腔里形成驻波,使得激光强度不会减弱。谐振腔长度的调节也是激光波长的选择器,激光波长一旦与谐振腔长度不匹配,便无法形成驻波。这就是为何激光功率高、单色性好,即频率精确稳定,带宽窄,以及走直线的原因。