相信激光這名詞對(duì)大家來說一點(diǎn)也不陌生。在日常生活中，我們常常接觸到激光，例如在課堂上我們所用的激光指示器，與及在計(jì)算機(jī)或音響組合中用來讀取光盤資料的光驅(qū)等等。在工業(yè)上，激光常用于切割或微細(xì)加工。在軍事上，激光被用來攔截導(dǎo)彈。科學(xué)家也利用激光非常準(zhǔn)確地測(cè)量了地球和月球的距離，涉及的誤差只有幾厘米。激光的用途那么廣泛，究竟它是如何產(chǎn)生的呢？以下我們將會(huì)闡釋激光的基本原理。 激光的發(fā)展有很長(zhǎng)的歷史，它的原理早在 1917 年已被著名的物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。 激光英文名是 Laser，即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的縮寫。激光的英文全名已完全表達(dá)了制造激光的主要過程。但在闡釋這個(gè)過程之前，我們必先了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，與及光的輻射和吸收的原理。 圖一 碳原子示意圖物質(zhì)由原子組成。圖一是一個(gè)碳原子的示意圖。原子的中心是原子核，由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶有正電荷，中子則不帶電。原子的外圍布滿著帶負(fù)電的電子，繞著原子核運(yùn)動(dòng)。有趣的是，電子在原子中的能量并不是任意的。描述微觀世界的量子力學(xué)告訴我們，這些電子會(huì)處于一些固定的「能階」，不同的能階對(duì)應(yīng)于不同的電子能量。為了簡(jiǎn)單起見，我們可以如圖一所示，把這些能階想象成一些繞著原子核的軌道，距離原子核越遠(yuǎn)的軌道能量越高。此外，不同軌道最多可容納的電子數(shù)目也不同，例如最低的軌道 (也是最近原子核的軌道) 最多只可容納 2 個(gè)電子，較高的軌道則可容納 8 個(gè)電子等等。事實(shí)上，這個(gè)過份簡(jiǎn)化了的模型并不是完全正確的 [1]，但它足以幫助我們說明激光的基本原理。 電子可以透過吸收或釋放能量從一個(gè)能階躍遷至另一個(gè)能階。例如當(dāng)電子吸收了一個(gè)光子 [2] 時(shí)，它便可能從一個(gè)較低的能階躍遷至一個(gè)較高的能階 (圖二 a)。同樣地，一個(gè)位于高能階的電子也會(huì)透過發(fā)射一個(gè)光子而躍遷至較低的能階 (圖二 b)。在這些過程中，電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能階的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長(zhǎng)，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。 圖二 原子內(nèi)電子的躍遷過程當(dāng)原子內(nèi)所有電子處于可能的最低能階時(shí)，整個(gè)原子的能量最低，我們稱原子處于基態(tài)。圖一顯示了碳原子處于基態(tài)時(shí)電子的排列狀況。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)電子處于較高的能階時(shí)，我們稱原子處于受激態(tài)。前面說過，電子可透過吸收或釋放在能階之間躍遷。躍遷又可分為三種形式﹕ 1. 自發(fā)吸收 - 電子透過吸收光子從低能階躍遷到高能階 (圖二 a)。 2. 自發(fā)輻射 - 電子自發(fā)地透過釋放光子從高能階躍遷到較低能階 (圖二 b)。 3. 受激輻射 - 光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長(zhǎng)和相，此波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)能階的能量差。一個(gè)光子誘發(fā)一個(gè)原子發(fā)射一個(gè)光子，最后就變成兩個(gè)相同的光子 (圖二 c)。 激光基本上就是由第三種躍遷機(jī)制所產(chǎn)生的。圖三顯示紅寶石激光的原理。它由一枝閃光燈，激光介質(zhì)和兩面鏡所組成。激光介質(zhì)是紅寶石晶體，當(dāng)中有微量的鉻原子。在開始時(shí)，閃光燈發(fā)出的光射入激光介質(zhì)，使激光介質(zhì)中的鉻原子受到激發(fā)，最外層的電子躍遷到受激態(tài)。此時(shí)，有些電子會(huì)透過釋放光子，回到較低的能階。而釋放出的光子會(huì)被設(shè)于激光介質(zhì)兩端的鏡子來回反射，誘發(fā)更多的電子進(jìn)行受激輻射，使激光的強(qiáng)度增加。設(shè)在兩端的其中一面鏡子會(huì)把全部光子反射，另一面鏡子則會(huì)把大部分光子反射，并讓其余小部分光子穿過﹔而穿過鏡子的光子就構(gòu)成我們所見的激光。 圖三 紅寶石激光的示意圖產(chǎn)生激光還有一個(gè)巧妙之處，就是要實(shí)現(xiàn)所謂粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。以紅寶石激光為例 (圖四)，原子首先吸收能量，躍遷至受激態(tài)。原子處于受激態(tài)的時(shí)間非常短，大約10-7 秒后，它便會(huì)落到一個(gè)稱為亞穩(wěn)態(tài)的中間狀態(tài)。原子停留在亞穩(wěn)態(tài)的時(shí)間很長(zhǎng)，大約是10-3秒或更長(zhǎng)的時(shí)間。電子長(zhǎng)時(shí)間留在亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的原子數(shù)目，此現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵，因?yàn)樗雇高^受激輻射由亞穩(wěn)態(tài)回到基態(tài)的原子，比透過自發(fā)吸收由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)的原子為多，從而保證了介質(zhì)內(nèi)的光子可以增多，以輸出激光。 圖四 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)激光透過受激輻射產(chǎn)生，有以下三大特性 (圖五)﹕ 1. 激光是單色的，在整個(gè)產(chǎn)生的機(jī)制中，只會(huì)產(chǎn)生一種波長(zhǎng)的光。這與普通的光不同，例如陽(yáng)光和燈光都是由多種波長(zhǎng)的光合成的，接近白光。 2. 激光是相干的，所有光子都有相同的相，相同的偏振，它們疊加起來便產(chǎn)生很大的強(qiáng)度。而在日常生活中所見的光，它們的相和偏振是隨機(jī)的，相對(duì)于激光，這些光就弱得多了。 3. 激光的光束很狹窄，并且十分集中，所以有很強(qiáng)的威力。相反，燈光分散向各個(gè)方向轉(zhuǎn)播，所以強(qiáng)度很低。 圖五 普通燈光與激光的比較以能量劃分，激光可大致可分為三類，第一類是低能量激光，這類激光通常以氣體為激光介質(zhì)，例如在超級(jí)市場(chǎng)中常用的條形碼掃描儀，就是用氦氣和氖氣作為激光介質(zhì)的；第二類是中能量激光，例如在課堂上用的激光指示器；最后一類為高能量激光，一般用半導(dǎo)體作為激光介質(zhì)，輸出的功率可高達(dá) 500 mW。用于熱核聚變實(shí)驗(yàn)的激光可發(fā)射出時(shí)間極短但能量極高的激光脈沖，其脈沖功率竟可達(dá)1014 W！這激光可產(chǎn)生達(dá)一億度的高溫，引發(fā)微粒狀的氘-氚燃料進(jìn)行熱核聚變。 [1] 根據(jù)量子力學(xué)，電子不是在一些明確的軌道上繞原子核運(yùn)動(dòng)的，它們的位置只可利用或然率通過薜定諤方程預(yù)測(cè)。 [2] 量子力學(xué)說明光也有粒子的性質(zhì)，特別是在光與原子作用的時(shí)候。光的粒子稱為光子。