激光，從玩具到做手術，已經無處不在。不知道你小時候有沒有玩過“紅外線”呢？對，就是那種會發出紅色激光的激光筆，但我們估計是動畫片看多了，把它叫做紅外線~~~估計大部分叨友第一次親密接觸激光就是這樣吧！！！那麼，你知道激光的原理嗎？

激光這名字怎麼來的？

說起激光我們就先來說一下激光的英文原名……

它的原名叫Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，直譯過來是“受激輻射的光放大”，這個名字實在是太長了，于是人們就取它的首字母：laser.

而激光的中文譯名，曾今是純音譯“萊塞”，或者兼有一點兒意譯的“鐳射”。不過後來為了更加準确地表述，這個laser就統一翻譯成了“激光”。

好了，那麼激光到底是什麼個玩意？

我們都知道物質由原子構成。每個原子裡原子核與電子組成了一個系統，當這個系統所含的能量最低時，我們就說這個原子處于基态。

原子中的電子軌道和太陽系的模型有點像，但又有很大的不同。簡單地說，如果我要把金星“變軌”，變到地球的軌道，那麼我就要給金星注入能量，改變金星的軌道，使其軌道半徑越來越遠，直到金星到達地球軌道為止。那麼從金星開始“變軌”，到“變軌”結束的這段時間内，金星都是處于一種介于原來的金星軌道和地球軌道之間的狀态。

但是，原子可就不一樣了。如果也給一個電子注入能量，讓一個電子“變軌”到能量更高的軌道，電子是直接“跳”過去的！換句話說，就像金星忽然就“跳”到了地球軌道一樣，并不存在一個“中間狀态”！而且在注入能量低的時候，這個電子也不會“跳”，隻有剛好達到某個值的時候，電子才會忽然“跳”過去！

我們給電子“跳”過去這個動作取一個專業術語，叫“躍遷”。把基态原子吸收了能量之後叫做激發态原子。

電子那麼小，如何給它“加油”，注入能量？用光子！

當一個光子的能量正好等于兩個能級的能量之差時，這個光子就會被原子吸收，處于基态的電子就會躍遷到更高能級的軌道。

反過來，電子也可以從高能級躍遷回到低能級，并産生一個能量等于兩個能級的能量差的光子。

處于激發态的原子是非常不穩定的，壽命隻有一秒的一億分之一，很快就會随機地自發地回落到基态，同時放出光子。我們把這個過程稱為“自發輻射”。因為是随機的，所以發出的光子的特征并沒有确定的關系。

但是如果趕在原子發生自發輻射之前，再給它一個能量剛好等于兩能級能量之差的光子，原子同樣會從高能級到低能級躍遷，并再釋放出一個相同的光子。這就相當于，用一個光子，“生”出兩個同頻率、同相位、同方向、同偏振态的光子！

這個過程也有一個專業術語，叫“受激輻射”。

如果剛才的兩個光子再去和其它處于激發态的原子作用，就又形成四個一樣的光子，再形成8個、16個……

說到這裡你應該明白了為什麼叫“受激輻射的光放大”了！

制造激光到底有多難？

但是很快我們就能想到，要真的做成激光，得需要大量的激發态原子才可以啊！但是通常狀态下大部分原子都是處于基态的。我們需要得到一種高能态的原子數多于低能态的原子數的狀态，這種狀态叫“粒子數反轉”。

激光是一個理論先于實踐的事物。在1916年，愛因斯坦就已經奠定了激光的理論基礎。但是直到1960年5月16日，世界上第一台激光器才誕生，前後足足相隔了44年。激光器如此姗姗來遲，就是因為粒子數反轉太難實現了，甚至有人斷言這是不可能實現的。

但是科學家終究還是做到了。科學家首先用了了三能級系統實現了粒子束反轉，後來又發明了更好用的四能級系統。限于本文隻是科普文，我們就不具體展開神馬叫三能級系統和四能級系統了……我們隻需要知道，這是實現粒子數反轉的方法。剛才所說的世界上第一台激光器，就是以紅寶石為激活介質的三能級系統。而氦氖激光器、二氧化碳激光器，就是四能級系統的激光器。

但是實現了粒子數反轉還不夠。因為粒子數反轉之後，自發輻射還是會存在，而自發輻射産生的各種光子就會引發各種不同頻率、不同方向的受激輻射。因此，科學家還發明了光學諧振腔來解決這個問題。同樣我們也不具體展開光學諧振腔說明的原理了……我們隻需要知道，它對光的方向和頻率有選擇作用。

Ok，集齊以上法寶，一束方向性好、單色性好、能量集中、相幹性好的激光就誕生了。

激光有哪些應用？

我們用的光盤，就是用激光來讀取信息；

我們的激光照排系統讓我們告别了“鉛與火”；

激光還使得用光傳遞大量信息成為可能，沒有激光就沒有我們現在用的光纖；

全息攝影技術中也需要激光；

激光還用來切割、雕刻；

激光測距的精度也非常高；

在尖端的科研裡，科學家還用激光來移動原子，用激光來冷卻原子；

還有可控核聚變，得用高能激光束來引發；

…………

激光的用處實在是太多了。激光誕生到現在已經五十多年，我們已經難以想象如果沒有激光，我們的生活會變成什麼樣子。

這也說明了，現在的看似離我們很遙遠的尖端科技，說不定幾十年後就成了步入千家萬戶、人們離不開的東西。

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