——維度開拓者（原創首發)

激光簡單地說是一種頻率單一、頻寬狹窄的光，相幹性好，遠距離傳輸光斑非常小，因而單位面積的光斑所含能量和功率非常高。激光本質是從分子，原子、離子等粒子受激發射産生的，因此氣體、固體（晶體）、液體（有色溶液）、半導體等都可以用來制造産生激光。最近科學家發現有機超導體有激光的放大作用，這表明超導體也可以産生激光。宇宙中除了伽馬射線（爆）激光外，似乎沒有天然的激光存在，一般都是人造的。

從激光器的材料種類看，一般的氣體分子、離子激光器功率和能效很高，缺點是體積較大。由于氣體分子鍵激發的能級比較低，因而激光頻率一般都在中紅外波段。由于可選擇的穩定氣體較少，所以氣體激光頻譜範圍相對狹窄。

固體和液體材料激光器可選擇各種原子、離子或分子材料，因而激發能級範圍寬，激光頻率範圍很廣，可涵蓋紅外到紫外等所有波段。但由于固體無法從内部激勵工作物質，液體工作物質溫度變化對其激勵放大影響較大，所以激光輸出功率一般相對較小，激光能量輸出效率也較低。

半導體激光器采用半導體能帶的電子躍遷激發産生激光，激光的頻譜範圍較寬，可涵蓋紅外到紫外所有波段。由于諧振腔較小，輸出激光的頻率一緻性較差。但優點是體積小，能效高、可靠性好。

激光與無線電波的産生原理本質沒有區别，共同點是一緻的。它們的原理用一句話概括就是，能量激發工作物質，激發的光或無線電波在諧振器中産生共振放大效應，從而産生頻率單一的光（簡稱激光）或頻率單一的無線電（磁）波。

其中關鍵要素有二個：

一是工作物質。起到能量吸收和放大效果，從而激發頻率單一的光和無線電（磁）波。

二是諧振器。反饋諧振器内共振電磁波能量，過濾掉非共振波的能量。使電磁波能量最大程度地被工作物質吸收放大。

為了更好的理解激光原理，我們先看無線電波的産生的原理。

無線電波的頻率範圍很寬，低頻如交流電隻有50HZ，中頻3000KHz，高頻到微波段3000GHZ。一般無線電波諧振器都采用電感和電容組合。

請看圖一、圖二，圖一最簡單的電感反饋式無線電振蕩器電路原理圖。

圖一

圖二、LC電磁諧振器

電容中電荷流過電感産生磁場，磁場又激發産生電場，感應出電荷。正負電荷不斷在電容兩極振蕩，從而産生無線電波。其中工作物質就是“真空”。

圖二的最簡單LC振蕩器，由于線路的電阻和無線電波能量的發射，振蕩電流很快消失，無法産生穩定的無線電波。所以采用圖一的反饋式激勵電路，從LC諧振器中取出一部分電流放大後再輸入LC諧振器線路中，從而産生穩定的無線電波輸出。

由于LC諧振器振蕩頻率由電容和電感大小決定（頻率f=(LC)^-0.5），當要産生非常高的電磁波時，電感和電容必須做得非常小，但由于電子線路和器材内部都分布很小的電容和電感，一般的半導體器材無法滿足，因此普通的LC諧振器獲得最高的頻率有限。

大功率的高頻微波，就不能用這種普通的LC諧振器，下面是微波爐中産生微波的磁控管原理。

圖三、磁控管

圖四、磁控管原理

磁控管是一個特殊的二極管，中間的陰極是可以發射電子的材料，外圈是陽極，兩端有高壓，磁場方向與陰極電子到陽極的線路垂直。電子從陰極到陽極的過程中會因磁場發生偏轉，高速偏轉移動的電子在陽極開口腔外經過時會産生變化的電場，每個陽極開口都相當于微小的LC諧振器，電子不斷的激勵從而産生超高頻電磁波——微波。

從以上無線電(磁)波産生原理看，要産生比微波頻率更高的電磁波——激光，就需要用到更小的振蕩器（工作物質），那就是組成物質的分子、原子或離子。

分子中原子與原子結合的共價鍵電子及單個原子、離子核外的電子，從基态被激發躍遷到激發态軌道時穩定時間很短，會迅速返回基态，這時就會激發出電磁波，這個電磁波的頻率非常更高，一般在紅外到可見光的頻率範圍。這從無線電(磁)波産生原理看，分子、原子、離子相當于更小的LC諧振器。

如圖五所示，這是二氧化碳氣體分子激光器原理圖。

圖五、激光原理

二氧化碳激光器是以CO2氣體作為工作物質，玻璃或石英材料管裡面充以CO2氣體和其他輔助氣體（主要是氦氣和氮氣等），管子内部激勵電極用鎳制空心圓筒，通過高壓放電使得二氧化碳氣體分子産生大量自激發（頻率範圍連續）光和部分受激發射光（頻率單一），光學諧振腔的一端是鍍金的全反射鏡，另一端是用鍺或砷化镓磨制的半反射鏡。CO2氣體分子受激發出的光波在諧振腔兩端反光鏡之間來回反射形成駐波，未激發的CO2氣體分子吸收後再産生受激發射光，激光就成數倍放大，一部分未反射的激光會從半透鏡中輸出成為工作激光。

從原理看，諧振腔兩端反光鏡是相當于無線電波的反饋電路，鎖定輸入的能量的頻率，光學腔同時是能量共振激發輸入器，使得二氧化碳分子獲得激發能量。

綜上所述，光一定是電磁波，光如果是粒子就根本無法解釋激光的産生，光粒子在氣體分子中無序的碰撞顯然無法碰撞出有序的光子。這也說明所謂單個“光子”，隻不過是一個電子激發的最小能量單位電磁波脈沖，其本質也是電磁波。

我們從無線電波到激光可以發現，它們之所以都屬于電磁波，一個共同的特點是都與電子受激發射有關。無線電波中電子從高能态到低能态對應的是從電容的負極到正極，電子走過的線路越短（電感越小），速度越快（電容越低）激發的頻率越高。

所以要獲得超高頻無線電波如微波，就必須用磁控管這樣的器材，通過高速旋轉的電子穿過微小的電容，電子從高能态到低能态路徑更短，速度越快，發射的電磁波頻率更高。

激光的頻率比微波更高，就必須用原子核外的電子軌道躍遷來獲得。原子半徑非常小，原子核外電子軌道間路徑更短，所以激發獲得的電磁波頻率更高，電子激發所需能量也更高（E=hv），因此，原子核外電子激發的電磁波一般都是人類眼睛可見的可見光。

二氧化碳氣體分子激光之所以在頻率較低的紅外波段，是因為二氧化碳（CO2）氣體分子是一個碳和二個氧原子組成的分子，由于碳和氧共價的電子處在兩個原子中間，所以相比一個原子核的半徑要大。電子離開原子核更遠，電子運動速度就越慢，相鄰軌道間距離也更大，激發态所需能級更小，所以二氧化碳分子激發的激光頻率在頻率較低的紅外波段。而用單個原子做激發，激光頻率一般在可見光範圍。

要獲得頻率更高的X射線或X射線激光，就無法用原子核外層電子軌道躍遷激發獲得，必須用高速的電子轟擊原子的内層軌道電子，内層電子軌道半徑更小，相鄰軌道間距離更短，電子運動速度更快，電子被擊中時彈跳到高能級軌道返回到低能态的用時更短，所以激發的電磁波頻率更高，因此才能獲得高能X射線。

比X射線更高的伽馬射線已經無法用電子軌道躍遷獲得，這就必須用距離更短，速度能量更大的原子核中質子、中子的躍遷或分裂中獲得。原子核衰變和核反應時，新獲得的原子核處于高能态，它轉到穩定的低能态時就會産生伽馬射線。

那麼還有比伽馬射線能量更高的射線嗎？

根據以上原理，這一定發生在黑洞内部物質，因為黑洞物質内部間距更小，一旦激發能量更大，它會激發出宇宙中能量終極的射線。所以可推測，黑洞與黑洞碰撞時有可能會爆發出比伽馬射線能量更高的黑洞射線。

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