出品:科普中国

作者:小小长光人(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

监制:中国科普博览

2015年是国际光和光基技术年(IYL2015),也是在这一年,联合国教科文组织执行委员会签署通过了将每年的5月16日设为“国际光日”的决定。之所以选择5月16日,是因为在1960年5月16日,美国物理学家梅曼制造出了人类历史上的第一束激光。

梅曼和红宝石激光器

(图片来源:维基百科)

所以激光到底是什么?它又为啥这么重要呢?要回答这两个问题,我们就得好好了解一下梅曼这项工作的前因后果。

物体为什么会发光?

时间来到1912年,那时候的物理学家还在执着于构成这个世界的基础——原子,到底长啥模样。这一年,丹麦物理学家玻尔的三篇论文发表,在这三篇论文里,玻尔把量子理论运用在了卢瑟福的原子模型中,提出了著名的玻尔模型。玻尔模型能解释当时其他模型所不能解释的现象,并且预测了一些之后透过实验能够证实的结果,因此之后得到科学界的普遍接受。

我们来看看这个玻尔模型,玻尔模型是一种行星模型,也就是说,带负电的电子就像行星一样围绕着带正电的原子核运动。玻尔模型的精妙之处在于这些电子的轨道并不是随便选择的,而是只能选择一些确定的数值。

氢原子的玻尔模型

(图片来源:维基百科)

最里面的电子轨道被称为基态,再外面一层的轨道就叫第一激发态,再外面就是第二激发态,以此类推。玻尔模型就可以很好地解释物体为啥会发光,我们可以注意到这些不同的轨道上的电子能量是不一样的,不妨把这些轨道“展平”,这样我们就得到了一些能级。

自发辐射能级

(图片来源:维基百科)

由于能量守恒的缘故,电子想从低能级跃迁到高能级去,就得从外界吸收对应的能量,这个过程我们就叫它受激吸收;同样的,电子从高能级掉到低能级去,肯定也会放出相应的能量,事实证明,这个过程会发出一个光子,也就是说,电子会发光,所以这个过程被称为自发辐射。我们生活中常见的普通光源的发光原理就是自发辐射。

日光灯

(图片来源:维基百科)

让光“听话”

自发辐射产生的光存在一些问题:原子中的能级很多,这些光子有可能是第一能级自发辐射产生的,也有可能是第三能级自发辐射产生的……这就会导致这些光子的能量不一样,而单个光子的能量就决定了光的频率,也就是说,自发辐射产生的光频率是随机的。还有一点就是,自发辐射产生光子的时机,以及光子运动的方向也不受我们控制,这就会导致自发辐射产生的光,相位也是随机的。

这里所讲的频率、相位都是光作为电磁波的一种属性,频率可以理解为光波振动的快慢,它也决定了我们看到光的颜色;相位可以理解为光波传递的位置。

光作为一种电磁波

(图片来源:维基百科)

总之,普通光源产生的光就像是一堆挤地铁的人,他们有老有少,有男有女,穿着不同颜色的衣服去坐地铁,而且走得还不一样快,有的已经上车了,有的却还在检票。这就导致普通光源虽然在生活照明上已经足够用了,但是在科研领域,尤其是研究光的性质上,战斗力着实一般。

终于,在1917年,另一种发光方式浮出水面,那就是爱因斯坦提出的受激辐射理论

受激辐射

(图片来源:维基百科)

受激辐射理论就是说,现在假设第一激发态上有一个电子,这时候有一个光子打过来,而这个光子的能量恰好等于第一激发态和基态的差距,那么这个时候,第一激发态上的电子就会在“受到诱惑”的情况下完成自发辐射,放出一个“一毛一样”的光子。

由于这个“诱惑光子”的存在,我们就称这个过程为受激辐射。如果在足够多的高能级电子中,这个过程会一直延续下去,最终形成一大群被“诱惑”的光子,我们将这个过程称为光放大过程,最重要的是,这些光子的相位和频率是完全一样的。就像是一支整齐划一的部队,和上面“挤地铁”的自发辐射完全不一样。

造一台激光器总共分几步?

第一步,粒子数反转。

有了受激辐射理论之后,人们就在想,怎么才能利用这个理论,造一个能发出整齐划一的光的光源呢?可能会有读者说,拿光照过去不就行了吗?有什么难的呢?

有这样疑问的读者要注意前面提到的**“足够多”**这三个字,而且不要忘了我们的受激吸收现象。如果高能级电子不够多,受激辐射的次数少于受激吸收的次数,这时候一束光打过来,并不会发射光放大,而是会被基态电子受激吸收,导致光损耗。

实际上,在自然情况下,基态电子数量要远远大于激发态电子,以室温为例,一个二能级系统(也就是只有基态和第一激发态的能级系统)基态电子数量大概是激发态电子数量的10的170次方倍!

所以要想利用受激辐射原理制造一台光源,首先要解决的问题就是使高能级的粒子数大于低能级的粒子数,也就是实现粒子数反转。

怎么实现粒子数反转呢?基本的思路就是抽运,就像水泵一样,把基态的粒子抽到高能态去。说起来容易,做起来难。

水泵抽运粒子

(图片来源:维基百科)

第二步,造一台前身。

1951年,美国物理学家汤斯想到了如何在氨分子中实现粒子数反转。

氨分子是二能级系统,在正常情况下是不可能实现粒子数反转的,因为受激吸收和受激辐射的概率是相同的,同时还有自发辐射存在,这就导致高能级的粒子数一定会少于基态粒子数。

汤斯的办法非常巧妙,他利用磁场将基态和激发态的氨分子区分开来,单单挑出激发态的氨分子放到微波谐振腔里,在这个谐振腔里实现了粒子数反转。三年之后,利用这个想法,汤斯造出了第一台“MASER”。啥是MASER呢?

MASER的全称为Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation,译为“利用受激辐射对微波进行放大”,激光LASER的全称为light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,译为“利用受激辐射对光进行放大”。

上文我们提到光是一种电磁波,微波则是另一种电磁波。电磁波可以按照频率的大小来进行分类,微波的频率在300 MHz~300 GHz,而可见光频率则是在3.9~7.5乘以10的14次方Hz之间。从名字我们就能看出MASER和LAZER的不同,主要在于工作波段的不同,MASER离LASER只有一步之遥了。

汤斯和第一台MASER

(图片来源:维基百科)

第三步,补全激光三大件。

MASER的问世解决了粒子数反转问题。短短三年时间,这项技术就突飞猛进,这时候大家都希望能够赶紧更进一步,把这个微波放大器变成光放大器,造出那个梦想中的光源,也就是激光。

至此我们已经能隐隐总结出组成激光器的三大部件了:**一是需要能实现粒子数反转的物质,就像是氨分子,我们称之为增益介质;二是合适的抽运方法,我们称之为泵浦;三是上面提到汤斯用的谐振腔,**至于谐振腔的作用我们后面再说。

1958年,汤斯和肖洛合作写了一篇理论文章,第一次从理论上预言了激光的可行性。此时对汤斯来说,可谓万事俱备只欠东风!

结果大家也都知道了,汤斯本以为自己是借风的周瑜,没想到却成了被风骗了的曹操。1960年5月16日,梅曼另辟蹊径,捷足先登,制造出了人类历史上的第一台激光器。关于梅曼如何捷足先登的故事,大家有兴趣可以去了解一下,可谓一波三折非常精彩。不过我们这里还是把介绍重点放在他的红宝石激光器上。

红宝石激光器原理图

(图片来源:维基百科)

这个激光器非常清晰地展示了激光器的三大部件,我们就不妨依次介绍。

增益介质:梅曼选择的增益介质是红宝石,也就是掺铬的三氧化二铝。

三能级系统示意图

(图片来源:作者自制)

这种增益介质是一种三能级系统,这种三能级系统实现粒子数反转的办法,就比之前的二能级系统要简单许多了。红宝石的三能级系统有一些特别之处,我们通过它的抽运过程就能理解它是如何实现粒子数反转的。

首先通过合适的激励把基态粒子直接运上E3能级,而E3能级和E2能级之间存在无辐射跃迁过程,也就是E3上的粒子会很快通过碰撞跑到E2上,减少的能量变成热运动能量,而不是发光。

此外,E2态是亚稳态,就是E3能级上掉下来的粒子能在E2能级保持很长时间。这样相当于利用E3能级作为一个过渡,把基态的粒子运到了E2上,让这个过程一直进行下去,E2的粒子数就会超过基态粒子数,实现粒子数反转。

其实红宝石激光器的效率很低,只有0.1%,这是受增益介质的限制,因为三能级系统需要很高的能量把基态粒子抽运到高能态去。此外,这个激光器的波长为694.3nm也是由这种增益介质决定的。

随着激光的发展,增益介质的种类逐渐增多,包括气体、固体、液体、光纤、半导体等等,比如教室里常用的激光笔就是一种半导体激光器。总之,不管哪种增益介质,它都要有能实现粒子数反转的方法。

泵浦:

第一台红宝石激光器的泵浦灯

(图片来源:维基百科)

梅曼的激光器最明显的特征,就是它的泵浦光源是一个螺旋形的氙气灯,螺旋形可以保证把红宝石棒放在灯管之间,此外这个灯还是使用脉冲光来抽运,也就是它发出的光不是连续的,而是一阵一阵的,这是梅曼最重要的设计,这样就避免了连续的高能量抽运光损坏晶体。

谐振腔:

谐振腔示意图

(图片来源:维基百科)

在红宝石棒的两端,梅曼放了两面镜子,并在右边的一面上挖了一个小洞,这样受激辐射发出的光就能在增益介质中来回穿梭,得以“诱惑”更多的光子,达到一定强度后,激光就从小洞里射出。

激光到底有什么用?

梅曼发明激光后召开了一场新闻发布会,在那场新闻发布会上就有记者问出了这个问题,梅曼给出了5个方面的建议:

1.用来放大光,比如做高功率激光器的时候,都是用光放大器对比较弱的光进行放大;

2.可以用激光去研究物质;

3.用高功率激光光束做空间通讯;

4.用于增加通讯的信道数量(这就是后来出现的光纤通讯);

5.把光束聚焦,产生超高的光强,用于工业上切割或焊接材料,或是在医学上进行手术等等。

我们不得不佩服梅曼敏锐的科研嗅觉,他说的这些建议,日后一一应验。

还记得受激辐射产生光子的特点吗?它们的频率和相位一致,而激光本质上就是对受激辐射光的放大,所以激光最重要的两个特点就是单色性好和能量高。这两个特点决定了激光的用途,这也是激光器发展的两个方向。

单色性好,就意味着激光频谱很窄,很容易表现出光作为波的特征,我们就可以用它来记录相位信息。比如1947年英国物理学家丹尼斯·盖伯发明的全息照相技术,本质上就是利用光的相位来记录物体全方位的信息,使产生立体照相的效果。

全息照片不光能记录正面信息还能记录侧面信息

(图片来源:维基百科)

直到激光发明之后,这种技术才有了实现的条件,并在1971年获得了诺贝尔物理学奖。

能量高这个就很好理解了,我们可以用激光来刻录光盘,来促成核聚变,来切割材料等等,我们甚至不光可以产生连续高能量的激光,还可以通过锁膜技术和啁啾放大技术,来获得能量高但是脉冲持续时间非常短的激光。

锁膜技术产生脉冲示意图

(图片来源:维基百科)

动图

现在飞秒激光已经很普及了,这种激光单个脉冲的持续时间只有飞秒(10的负15次方秒)量级。利用这种激光,我们就可以对物质进行精准打击,而不至于造成很大的破坏,比如近视眼修复手术,改变物质表面,增强它的防腐性能等等。

结语

2018年,啁啾放大技术的发明者也获得了诺贝尔物理学奖,目前,光是与激光相关的诺贝尔物理学奖就有十几个,可以说,激光是20世纪以来人类最重大的发明之一。在国际光日,如果有人问你:你相信光吗?你就可以反问他一句:你相信激光吗?

来源: 中国科普博览

内容资源由项目单位提供