了不起的物理

87 自然界並不天然存在的光:激光

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激光在我們的日常生活中已經非常普遍了。激光的能量密度非常高,可以用來做切割。激光也是一個理論先於實驗的案例。激光理論最早是由愛因斯坦提出的,但過了約50年,科學家才發明出真正的激光。

激光(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)簡稱LASER,全稱受激輻射,中國香港、中國台灣地區翻譯為鐳射。簡單理解:激光是一堆光子頻率一樣,振動步調也一樣,振幅會形成幹涉相長的相幹電磁波。波的幹涉原理讓激光的功率極高,可用作激光切割。

激光的原理完全是量子力學。一個原子裏,電子處在能量較低的能級,如果給原子提升能量,電子就會跑到能量高的激發態。如果給一堆原子持續注入能量,直到過半數原子都處在較高能級,根據能量最低原理,處在高能級的電子不穩定,傾向於掉落到低能級並釋放出一個光子。這個光子出現後會影響處在高能級的別的原子。這個原子被這個光子幹擾了之後也從高能級掉落回低能級,放出一個光子。這個光子就跟剛才幹擾它的光子變成了“雙胞胎”,頻率一致並且振動步調相同,也就是相位一樣。這兩個雙胞胎光子就去幹擾下一個原子,變成三胞胎、四胞胎……N胞胎光子出現,它們頻率一致,振動步調一致,功率強勁,這便是激光。

當然,如果隻是在放置原子的腔體裏產生的激光,其運動方向是隨機的。所以要用一個特殊裝置使得激光最後可以往一個方向射出。這個裝置是一個諧振腔,結構是一根圓柱體,底麵有兩麵是鏡子,要把兩麵鏡子調節得無比平行,隻有這樣,垂直於兩麵鏡子的激光才能匯聚成一條直線。並且諧振腔的長短要經過調節,使其長度剛好是激光波長的整數倍,如此激光才能在諧振腔裏形成駐波,使得激光強度不會減弱。諧振腔長度的調節也是激光波長的選擇器,激光波長一旦與諧振腔長度不匹配,便無法形成駐波。這就是為何激光功率高、單色性好,即頻率精確穩定,帶寬窄,以及走直線的原因。