激光是一种通过迫使光束的波形和频率对齐来集中光束的装置。现代激光技术最初是在20世纪60年代发展起来的,用于放大微波,它可以放大电磁波谱中几乎任何部分的光线,除了伽马波。
尽管更准确地说,今天的激光并没有放大光,而是振荡光束中的波,使其排列整齐。所以,把“放大”换成“顺序”,或者,用专业术语来说,“振荡”可能更准确。
激光的核心是一种材料,当电磁波谱的一部分通过时,这种材料可以增强它们的能量。这种增强被称为“增益”,可以有效地放大光的功率。
在这种放大的背后,是一个被称为“受激辐射”的过程。材料中的原子被赋予能量爆发(如高电流),将它们的电子推入激发态。通过这种受激材料照射或反射光会使电子吸收并发射自己的光子。
在一些激光器中,这种介质根本不是由原子构成的材料 —— 只是一堆高速移动的电子。
增益介质被困在一个反射光的腔中,技术上讲,它放大了穿过它的光的数量。这是受激辐射放大光的基本原理。
虽然,放大是这个过程的关键部分,但使这种激光能成为我们用来逗猫、播放DVD或击落歼星舰的特征,是一种叫做“相干性”的东西。
通过增益介质的光最终都是相同的颜色。完全一样。相同的波长,相同的方向,相同的偏振。
在光学腔中来回发送波,然后过滤光束,所以出来的是相同相位的波。这个光束中的每个光子不仅具有相同的特性,而且与所有光子一起在时间上振荡。
迄今为止设计的最强大的激光器,可以在罗马尼亚的欧洲极光基础设施设施中找到。它的激光器是世界上最强大的激光器之一,能以惊人的能量产生光子、星空体育平台质子、中子和中微子的极短脉冲。
其高功率激光系统使用掺钛蓝宝石增益介质,旨在产生高达10拍瓦的激光脉冲。
考虑一下,瓦特是一秒内的一焦耳能量。另外,将一升水加热1摄氏度需要4000多焦耳的能量。
一拍瓦是每秒一千万亿焦耳。诚然,脉冲在22飞秒(22x10-15秒)内结束,但这仍然是一种相当大的能量,被挤压到眨眼的一小部分中。
不过,这一纪录可能不会保持太久。未来几年,中国的“极光站”(Station of Extreme Light)可能会凭借一项新兴技术取代它的霸主地位,该技术可以产生100拍瓦的激光,这种能量爆发的强度如此之大,可以震动空旷的空间,星空体育平台产生大量粒子,这将是我们从未见过的物理现象。