什么是激光?

2024-10-16

  知道了激光是电磁波后,我们再来简单分析一下它是怎么产生的。其实激光的英文“Laser”是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写,也就是“通过受激辐射产生的光放大”。星空体育平台因此要搞懂激光是怎样产生的这个问题,我们需要认识一下什么是“受激辐射”。

  原子内部的电子会处在不同能级之间跃迁,因此会发生自发辐射、受激吸收、受激辐射等现象。受激辐射就是物质在一束频率为v(hv=E_{1}-E_{2})入射光的刺激下,电子会从高能级E_{1}向下跃迁低能级E_{2},同时向外发射出一束频率同样为ν的光,称为受激辐射光。

  但这一束受激辐射光还远不能满足激光亮度高、单色性好、相干性好的条件。为了产生高质量的激光,我们需要制造专门的激光器,其中最重要的三部分就是泵浦源、工作物质、谐振腔。

  因为电子是费米子,这个世界中的物质才是稳定的,才不会变得越来越小。光子就不同了,光子叫玻色子。前面说,玻色子也长得一模一样,但玻色子可以待在同一个状态里。满足这种特征的粒子,也会出现奇怪的事情,比如激光。

  发现玻色子的,是印度物理学家玻色。1924 年,玻色写了一篇推导普朗克量子辐射定律的论文,当中并没有提到任何古典物理。在开始时未能发表的挫折下,他把论文直接寄给身在德国的艾尔伯特 · 爱因斯坦。爱因斯坦意识到这篇论文的重要性,不但亲自把它翻译成德语,还以玻色的名义把论文递予名望颇高的《德国物理学刊》发表。就是因为此次赏识,玻色能够第一次离开印度,前往欧洲并逗留两年,期间与路易 · 德布罗意、居里夫人及爱因斯坦工作过。

  爱因斯坦不仅推荐了玻色的论文,还将玻色的发现推广到很多情况,这样,满足玻色子特征的粒子,也就满足了另一种统计,叫做玻色 - 爱因斯坦统计。

  光子也有自旋,它们的自旋角动量等于一个普朗克常数。任何粒子,只要它的自旋是普朗克常数的整数倍,就是玻色子。幸好,光子不是构成物质的粒子,否则这个世界就不稳定了,也不会有固体液体了。但光子可以形成激光。我们接下来谈谈激光。

  激光和任何其他光一样,都是由光子组成的。我们知道,每个光子都有一定的能量。一般生活里常见的光,比如说太阳光,就包含着许许多多的光子,而且这些光子的能量有大有小。但激光非常特别,它里面每个光子的能量都一样大。这就是激光与普通光最大的区别。换句话说,激光里面的光子处于同一个量子态。星空体育平台

  产生激光的过程,其实很像产生一场雪崩。雪崩是怎么产生的呢?我们知道,雪山山坡上总是堆着一层层厚厚的积雪。当外部诱因使某一层的一小块雪滑下来的时候,会引起下一层雪的共鸣,使下一层的雪也跟着滑下来,再到达更下一层,又引起更下一层雪的共鸣,使更下一层的雪也滑下来。这么一层层地往下滑,形成连锁反应,最终就演变成一场壮观的雪崩。那么激光到底是什么呢?

  自然中和生活中的常见光源你可以理解为无序的光。偏振、相位都是混乱的,发散角也很大。激光说白了就是让光更有序,偏振度高且相位锁定,发散角也相应地变得很小。就像是一个水管的水没什么力气,而水刀可以切钢板一样。

  以上是一个通俗的解答。专业一点的说法就是在某个时刻,一个不知道是外界入射或是自发辐射产生的某个光子,在粒子数反转的增益介质中激发了受激辐射,且该受激辐射波长与谐振腔纵模吻合。接下来光子数在振荡中不断放大,最终产生了激光。