最强人造光 “激”光是如何诞生的?

来源:科普中国发布时间:2020-04-15

激光辐射和我们常说的手机辐射、电脑辐射是不是一回事呢?

  “激光”的英文名全称是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ,中文意思是,通过受激辐射产生的光放大。激光的“激”就代表着受激辐射。

  

(图片来源于新浪微博,作者有改动)

  这里的辐射,和我们常说的手机辐射、电脑辐射是不是一回事呢?别着急,后面我们会讲。

  其实生活在现代社会的我们,经常会接触到激光。比如,在学校,老师上课会使用激光笔;在医学上,激光可以用来纠正视力上的缺陷;在工业上,我们可以用激光切断钢材和其他材料;在超市里,售货员结帐的时候的用的电子扫描枪也利用了激光。

  

  激光(图片来自https://www.wissenschaft.de/)

  激光是什么呢?普通的光又和激光有什么区别呢?

  激光和普通的光完全不同日常生活中我们见到的光源大多数是不相干的光源,例如手电筒的光,太阳的光以及电灯泡里发出的光。所谓的不相干,是指从这些光源里面发出的光有两个共同特点,都是由不同颜色的光组成,看起来都是白光,而且这些不同颜色的光,甚至是其中颜色相同的光,偏振的方向都不一样

  具体来说,第一,它们发出的光在各个频率上都有分布,换句话说,它们是由各种不同的颜色组成的,这些不同颜色的光叠加在一起,发射到我们眼里,我们看到的都是白色的光。第二,这些不同颜色的光,甚至是其中颜色相同的光,偏振的方向不一样。偏振就是指光的振动方向,比如说从智能手机屏幕里发出的光就是偏振的,当我们带着偏振墨镜去看手机屏幕,只能从一个方向看到屏幕上的内容。当转动屏幕到一定角度时,屏幕上的内容会完全消失,这时手机屏幕光的偏振方向和墨镜所允许的偏振方向完全垂直,所以我们看不到屏幕上的内容。如下图中的丙情况。

  

利用偏振片P产生的偏振光。(图片来自http://www.xinhuanet.com/science/2018-07/20/c_137336876.htm)

  激光则是完全相反的一类光。它具有很强的相干性,所以它只具有一种频率。这也就是为什么我们看到的激光总是有颜色的,而且只有一种颜色。除了相干性之外,激光另一个重要的特点就是发散性很小,这也是我们平时看到的激光总是一条线的原因。而且由于这个原因,激光的功率也比普通的光大得多。

  

(图片来源:Veer图库)

  总之,激光就好像是好多人在列队走方阵,大家的步伐,速度以及方向都是一样,可控性强,行动力高。普通的光就好比广场上的人群,大家的步伐,速度甚至是方向都不一样,可控性底,行动力差。

  从原子的层面去认识“光

  但正是由于激光这么特殊,要产生激光并没有那么容易。

  那么,我们平时所见的激光器,又是怎么被发明出来的呢?

  在回答这个问题之前,我们先来说说光是怎么从原子里发出来的。一个原子要发出光,首先需要额外的能量把它从基态激发到激发态。基态可以理解为基本状态,就是原子平时所处的能态,这就好比宿舍里的下铺,待在下铺最省能量。上铺就相当于激发态,需要费力才能上到上铺。当我们从上铺跳下来时(实际上是从扶手梯上下来),我们在上铺的能量会以振动的形式释放到地板。

  

  原子能级的基态和激发态(作者自制)

  对于原子来说,当它从激发态到基态时,释放的能量就是电磁辐射,当电磁辐射的频率在可见光的范围内时,就是我们看到的光。当然,多数原子存在不止一个激发态,这些激发态之间也是有能量差异的。当原子从高激发态降落到低激发态,也是会发出电磁辐射的。日常生活中我们所说的什么手机辐射,电脑辐射其实就是一种电磁辐射,没有什么特殊的,它们的辐射功率远远小于太阳光这个电磁辐射的功率,因此没有必要十分担心。而且也没有科学证据表明手机或者电脑的电磁辐射对人体有什么危害。

  在普通的光源中原子被随机地激发到不同的激发态,然后又随机地降落到比这个激发态能量更低的激发态或者基态上时,原子就会发出各种不同频率(也就是不同颜色)的光,这样光混合到一起就是我们平时所见的白光。要想实现激光,我们就必须把大量的原子激发到同一激发态,然后让它们发出频率、相位以及偏振方向一样的光。实现这个目标的关键过程之一就是受激辐射。

  受激辐射的概念是爱因斯坦在1917年发表的关于辐射量子理论的论文里首先提出来的。这篇论文是激光发展史上重要的里程碑。

  爱因斯坦为激光的诞生奠定理论基础

  要说这篇论文,还得从一场物理学革命说起。在1900年,量子力学的创立者普朗克发表了有关能量和辐射频率的重要文章。在这篇文章里,普朗克首先提出了能量量子化的概念。

  

阿尔伯特.爱因斯坦,二十世纪最伟大的物理学家之一(图片来自https://www.wikiwand.com/en/Albert_Einstein)

  能量量子化指的是从辐射源辐射出来的能量不能取任意小的值,能量只能是某个最小值的整数倍。普朗克发表了这篇文章后,并没有意识到自己文章的重要性,他一直以为能量量子化只是权宜之计,在未来一定会有某个经典的理论可以解释它。但是爱因斯坦读了他的文章后,敏锐得意识到了这篇文章所传达的重要物理意义,并在1905年写了有关光电效应的文章,首次提出了光量子的概念。1905,爱因斯坦还发表了有关狭义相对论的文章,将物理学带入了"高速"的时代。

  

  狭义相对论著名的钟慢效应(图片来自https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.113.120405)

  在1905年发表了有关光电效应和狭义相对论的文章后,爱因斯坦很快在整个物理界获得了名誉,但是他并没有就此止步,在整个世界还在适应狭义相对论所带来的震撼时,他已经开始思考有关广义相对论的问题了。从1905年到1915年整整十年,爱因斯坦几乎是独自一人构建了广义相对论的大厦。在1915年发表了有关广义相对论的文章后,他的注意力才又开始转向物质和辐射(激光就是辐射的一种)的相互作用方面。并在1917年提出了受激辐射的概念。

  

  广义相对论指出,在大质量天体周围的时空会产生弯曲,这种弯曲已经被现在的观测所证明(图片来自https://www.space.com/17661-theory-general-relativity.html)

  在解释受激辐射之前,我们先提一下什么是自发辐射(或者自发发射)。自发辐射的概念也是由爱因斯坦提出来的。他指出,一个孤立的受激原子可以通过发射光子返回比它所在的激发态更低的能态,这个过程就是自发辐射。我们日常生活中所见到的荧光就是典型的自发辐射现象。在提出了自发辐射的概念后,爱因斯坦进一步推测,光子更喜欢在同一状态下一起旅行。对于一群处于相同的激发态的原子的集合,它们会随机地发生自发辐射。但是,如果一束频率相同的光子射向这群原子,这些光子将刺激这些原子尽早释放自己的光子,而这些由原子释放的光子将以与入射光子相同的频率和相位在相同方向上传播。这就是受激辐射。

  

原子的自发辐射和受激辐射示意图(原创图)

  从理论到实践,三位关键人物

  爱因斯坦提出受激辐射的概念后,激光似乎离我们很近了,但是直到1940年代和1950年代,物理学家才发现该概念的用途。这主要是要使大量的原子同时处于激发态并没有那么容易实现,因为它们总是会发生自发辐射而离开激发态,更别谈利用受激辐射去激发它们了。

  实现激光应用的关键人物是查尔斯·汤斯(Charles Townes)。查尔斯·汤斯在第二次世界大战期间曾从事雷达系统的研究。战争结束后,他将注意力转向了分子光谱学,该技术主要研究的是分子对光的吸收。分子光谱学用光子轰击分子的表面,并分析散射的辐射以确定分子的结构。

  

  查尔斯·汤斯(1915年7月28日-2015年1月27日),激光发明的先驱者(图片来自:https://en.wikipedia.org/wiki/Charles_H._Townes)

  1951426日,当汤斯在华盛顿的一个公园散步时,他突然有了一个灵感,那就是可以利用受激辐射的原理去产生高强度的微波束来研究分子。在这种想法的引导下,他1953年在美国哥伦比亚大学建造了第一台maser (microwave amplification by stimulated emission of radiation) 通过受激辐射产生的微波放大,也被称为微波激射器。因为发明微波激射器,查尔斯·汤斯获得了1964年的诺贝尔物理学奖。微波激射器发明出来后,我们距离激光的诞生就只有一步之遥了(maserlaser仅仅差了一个字母)。

  

查尔斯·汤斯和他发明的微波激射器.(图片来自https://www.independent.co.uk/news/people)

  1958年,查尔斯·汤斯和他的姐夫亚瑟·肖洛(Arthur L. Schawlow)意识到只要对微波激射器稍加改造,就可以产生可见光范围内的受激辐射。他们提议在原型maser的腔的两端各安装一个反射镜,然后射入特定波长的光子,这些光子会从反射镜反射并来回穿过介质,这些光子就会不断激发原子产生受激辐射,从而在相同波长下发射更多的光子。后来这两个人写了一篇详细介绍他们的概念的论文发表在了《物理评论》上。两年之后的1960年,休斯飞机公司的西奥多·迈曼(Theodore Maiman)制造了第一台红宝石激光器。从此,人类打开了激光时代的大门。

  

西奥多·迈曼(1927年7月11日-2007年5月5日)和他发明的红宝石激光器(图片来自https://en.wikipedia.org/wiki/Theodore_Maiman)

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