激光，在生活中無(wú)處不在，卻又神秘莫測(cè)。不知道大家是不是和我有一樣的疑問(wèn)：我們身的激光打印機(jī)也沒(méi)什么稀奇的，激光筆低價(jià)的才幾元一支，為什么老師一邊拿著這么便宜的激光筆在黑板上指指點(diǎn)點(diǎn)，一邊又說(shuō)激光是高科技，國(guó)之重器呢？

世界上第一臺(tái)激光器剛剛度過(guò)了它60歲的誕辰（1960年5月16日世界第一臺(tái)激光器——紅寶石激光器誕生），今天小編就來(lái)給大家仔細(xì)講講激光究竟是一個(gè)什么樣的東西，和我們的生活又有什么關(guān)系。

第一臺(tái)紅寶石激光器

普通光為自發(fā)輻射，但激光為受激輻射

首先要弄清楚光源發(fā)光的機(jī)理。我們?nèi)粘Ｉ钪械钠胀姛羲l(fā)出的光通常源于自發(fā)輻射。以最簡(jiǎn)單的白熾燈為例，首先給燈絲通以電流，燈絲就會(huì)發(fā)熱，這時(shí)燈絲原子的核外電子就會(huì)吸收熱能，從較低的能級(jí)躍遷到較高的能級(jí)去。這就好像給電子充錢成為 VIP 電子，不過(guò)人家是良心商家，隨時(shí)可以退款，當(dāng)了一陣 VIP 以后覺(jué)得沒(méi)意思，電子又從高能級(jí)躍遷回低能級(jí)去，這時(shí)為了滿足能量守恒定律，電子不會(huì)白白跌回去，而是會(huì)同時(shí)向外輻射出一個(gè)光子，這就發(fā)光了。注意這時(shí)電子是自己不想當(dāng) VIP 了所以跳回去，因此叫做自發(fā)輻射。自發(fā)輻射的特點(diǎn)就是各個(gè)光子之間相互獨(dú)立，沒(méi)有規(guī)律，所以普通電燈發(fā)出的光是射向四面八方的，并且輻射的頻率也不確定，比如發(fā)白光的日光燈就包含七種單色光，白熾燈所發(fā)的黃光也不是真正的單色光，而是包含了一定的波譜寬度的。

音樂(lè)會(huì)上的激光燈

激光之所以區(qū)別于普通光源，就在于其發(fā)光機(jī)理是受激輻射。在介紹受激輻射之前，我們先來(lái)看看激光這個(gè)名字的由來(lái)。想必大家知道激光的英文名 Laser，年紀(jì)稍長(zhǎng)的朋友可能還租過(guò)鐳射影碟，“鐳射”就是英文單詞 Laser 的音譯。這個(gè)單詞并不是憑空新造的一個(gè)詞，而是取自激光本意 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的首字母縮寫，含義是“受激輻射的光放大”，即通過(guò)受激輻射產(chǎn)生的光經(jīng)過(guò)放大之后，中文名字的“激光”是在錢學(xué)森的建議下經(jīng)討論后正式采用的。

說(shuō)來(lái)說(shuō)去，那受激輻射究竟是什么呢？且看下面這張圖：

自發(fā)輻射（左）和受激輻射（右）

圖中水平的兩條橫線E₂和E₁表示電子的能級(jí)，越高表示電子的能量越高（VIP 等級(jí)越高），左邊自發(fā)輻射電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，同時(shí)輻射出一個(gè)能量等于兩能級(jí)能量差的光子；而受激輻射則是在外加光子的作用下，輻射出一個(gè)完全一樣的光子，這就是所謂“受激”的過(guò)程。這里再補(bǔ)充一下， hν在是一個(gè)光子的能量，其中h是普朗克常數(shù)，可以不用管它，而ν則是光的頻率，它直接決定了我們看到的光的顏色，每一個(gè)頻率都對(duì)應(yīng)著一個(gè)確定的顏色，下表列舉了可見(jiàn)光所對(duì)應(yīng)的頻率和波長(zhǎng)范圍（波長(zhǎng)和頻率也是一一對(duì)應(yīng)的）。我們可以看到，紅橙黃綠青藍(lán)紫，光的頻率是逐漸增高的，這也就是為什么我們生活中看到溫度越高的光源，其顏色越偏向藍(lán)色。

預(yù)覽

前面已經(jīng)說(shuō)到，受激輻射是在外加光場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生一個(gè)完全相同的光子的過(guò)程。這個(gè)外來(lái)的光子，可以是自發(fā)輻射產(chǎn)生的，也可以是人為注入的種子光，總之它進(jìn)來(lái)了以后，出去的時(shí)候就會(huì)帶著一個(gè)一模一樣的好兄弟。所謂一模一樣，就是說(shuō)兩個(gè)光子無(wú)法分辨，相當(dāng)于一個(gè)復(fù)制放大的過(guò)程，如果再這個(gè)過(guò)程的出口加上反射鏡，這兩個(gè)光子又被反射回來(lái)，再來(lái)一次受激輻射，變成四個(gè)光子，如此反復(fù)，最終形成了激光。到此為止，我已經(jīng)簡(jiǎn)要說(shuō)明了激光產(chǎn)生的過(guò)程，但想必各位心中還憋了老多疑問(wèn)，大家稍安勿躁，我待會(huì)會(huì)一一介紹，現(xiàn)在我們不妨來(lái)看看前述過(guò)程的幾個(gè)動(dòng)畫，可以點(diǎn)右側(cè)的箭頭來(lái)播放。

激光產(chǎn)生的原理就是受激輻射，這個(gè)其實(shí)非常簡(jiǎn)單，早在 1916 年愛(ài)因斯坦就已經(jīng)提出該理論。但要想制造出穩(wěn)定的激光器，還是破費(fèi)一番周折，直到 44 年后方才實(shí)現(xiàn)。激光器有三大要素：工作物質(zhì)，泵浦源（或激勵(lì)源），諧振腔。這三個(gè)陌生的名字只怕一看就令人望而生畏，其實(shí)只是紙老虎而已，聽(tīng)我慢慢說(shuō)來(lái)。所謂“工作物質(zhì)”，就是發(fā)光的東西，相當(dāng)于燈絲（對(duì)于第一臺(tái)激光器而言，工作物質(zhì)是紅寶石）；而泵浦源，簡(jiǎn)單可以理解為電源，通過(guò)通電不斷使得工作物質(zhì)的電子從低能級(jí)被泵浦到高能級(jí)，也就是激光器的能量提供者（VIP 贊助商）。諧振腔，其實(shí)就是兩塊反射鏡，我們看激光器的模型動(dòng)畫：

對(duì)著這個(gè)動(dòng)畫，我們?cè)侔鸭す猱a(chǎn)生的過(guò)程仔細(xì)解釋一遍。首先工作物質(zhì)被泵浦源充值為 VIP，產(chǎn)生了自發(fā)輻射。自發(fā)輻射的光子是射向四面八方的，大部分就溜走了，但是垂直射向反射鏡方向的光子卻被反射回來(lái)，由此不斷地進(jìn)行受激輻射的過(guò)程，不斷放大——這就是諧振腔的“自然選擇”過(guò)程。左邊這塊鏡子是完全反射的，右邊這塊鏡子則可以透過(guò)一部分，反射一部分，透過(guò)的那一部分就變成了激光輸出，反射的那一部分則作為投資的本錢繼續(xù)放大，最終就形成了連續(xù)穩(wěn)定的激光輸出。注意這里諧振腔如果是兩個(gè)平面鏡構(gòu)成，就叫做平平腔；也可以由一個(gè)平面鏡和一個(gè)凹面鏡組成，叫做平凹腔，所以業(yè)內(nèi)一向認(rèn)為賈平凹是搞激光的。

平平腔（左）和平凹腔（右）

想必各位已經(jīng)聽(tīng)得不耐煩了：我只關(guān)心激光能干什么，你講這么多原理干什么？其實(shí)仔細(xì)看了上面的過(guò)程的童鞋就會(huì)知道，激光的特性與它發(fā)光的機(jī)理是分不開(kāi)的：首先是受激輻射的過(guò)程保證了激光的單色性（每個(gè)光子的頻率都是一樣的，顏色也就唯一）和相干性（這對(duì)于全息術(shù)等應(yīng)用有重要的意義），通過(guò)諧振腔選出的光束具有很好的方向性（可以用于定向打擊、測(cè)距等），最重要的還是激光的高強(qiáng)度高功率特性。

下面我就專門來(lái)講講激光的應(yīng)用領(lǐng)域，你會(huì)發(fā)現(xiàn)多到難以想象，真的是無(wú)處不在。

我們身邊的激光

激光筆

首先回到我們開(kāi)篇的問(wèn)題，激光筆還有收銀員用的條碼機(jī)可能是我們生活中最常見(jiàn)、最便宜的激光器了。激光筆的功耗也很小，似乎也沒(méi)什么殺傷力，很難把它和我們印象里的威力巨大的激光聯(lián)系起來(lái)。但激光筆的的確確是一個(gè)固體激光器。激光筆一般都是紅色，也有藍(lán)色綠色的，但激光器是不會(huì)發(fā)出“白光”這樣的復(fù)合光的；而且激光筆可以傳輸很遠(yuǎn)的距離還能在墻上形成一個(gè)小光斑，這說(shuō)明其方向性很好；如果你不小心直視了激光筆，那一下眼睛還是受不了的，可見(jiàn)在它管轄的很小的光束范圍內(nèi)，所集中的能量還是很強(qiáng)大的。這些都是普通光源所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特性。

切記，不可直視激光筆！

激光加工

激光筆之所以便宜，就因?yàn)槠涔β实停ぷ魑镔|(zhì)是常見(jiàn)的半導(dǎo)體器件，一般激光功率不大于 5 mW。我們平時(shí)生活中還會(huì)用到的激光打印機(jī)也是使用這樣低功率的激光器。不過(guò)，目前世界上功率最高的激光器已經(jīng)可以達(dá)到拍瓦量級(jí)（10¹⁵ W），相當(dāng)于全球電網(wǎng)平均功率的 500 倍。什么？比全球電網(wǎng)功率還高 500 倍？那誰(shuí)給激光器供電呢？其實(shí)對(duì)于這種大功率激光器來(lái)說(shuō)，都不是像激光筆那樣可以連續(xù)發(fā)光的了，而是脈沖式的：先讓激光在諧振腔里不斷振蕩放大，并不輸出；等積累到了一定的程度，忽然開(kāi)閘泄洪，勢(shì)不可擋。這樣輸出的激光脈沖不僅能量大，而且脈沖持續(xù)時(shí)間極短，可以達(dá)到飛秒量級(jí)（10^-15 s），也就是說(shuō)在這樣短的一瞬之間，將所有的光全都釋放出去了，故而才有極高的峰值功率，因此常把這種激光器叫做超快激光器。

脈沖持續(xù)時(shí)間短是這種激光器具有巨大價(jià)值的重要原因，例如下面幾張激光加工的圖片就是小編自己在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的。由于激光的脈沖時(shí)間短，激光剛剛射到我們的材料上，脈沖便即結(jié)束，迅速作用材料而不會(huì)因?yàn)榫薮蟮哪芰繉?dǎo)致熔化周圍的區(qū)域——如武林高手一般出手如電，材料還沒(méi)反應(yīng)過(guò)來(lái)就已經(jīng)被加工完成了。相比傳統(tǒng)機(jī)械或焊接加工，激光加工的優(yōu)勢(shì)在于可加工材料范圍廣泛，效率高，加工尺度極小，實(shí)現(xiàn)超精細(xì)“冷加工”。我們的手表等很多精密儀器其核心零件都采用激光加工的方式實(shí)現(xiàn)。

這是小編親手用激光雕刻做的超能網(wǎng)logo

小編用激光雕刻的樹葉

激光內(nèi)雕

這張激光內(nèi)雕的圖還需解釋一下，它是在一塊實(shí)心的玻璃內(nèi)部雕刻出來(lái)了一個(gè)三維的吉他的圖案。怎么能在內(nèi)部加工而不損傷外部呢？其實(shí)也很簡(jiǎn)單，好比用放大鏡聚焦太陽(yáng)光以后可以點(diǎn)著螞蟻一樣，通過(guò)控制激光的聚焦程度便可在不損傷外部玻璃的情況下穿透進(jìn)去，在我們需要的地方實(shí)現(xiàn)激光聚焦，進(jìn)行加工了。這樣高能、高精度、超短的激光脈沖還可以用于激光手術(shù)，治療近視眼就是最典型的例子，實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)甚至無(wú)創(chuàng)手術(shù)。

激光的各優(yōu)點(diǎn)的應(yīng)用：光纖、測(cè)距等

上述激光加工主要應(yīng)用的還是激光的高能、短脈沖特性，這里再簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)的其他優(yōu)點(diǎn)具有哪些應(yīng)用。

首先是單色性或相干性，在物理上這兩者實(shí)際上是等價(jià)的，這涉及到深?yuàn)W的電磁理論，就不細(xì)講了。那么單色有什么好處呢？和我們最密切相關(guān)的是用在光纖通信中。要知道，光纖并不是真空的管子，而是類似于玻璃的介質(zhì)，而不同顏色的光在介質(zhì)中傳輸時(shí)速度是不一樣的，這就是為什么白光經(jīng)過(guò)三棱鏡以后會(huì)分解成七色光——而激光的單色性就使得光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)不會(huì)發(fā)生這樣的色散，從而保證了通信的質(zhì)量；此外，為了提高信道的利用率，一條光纖中往往會(huì)傳輸多個(gè)光束，正因?yàn)槠漕l率不同，才可以進(jìn)行區(qū)分（這叫頻分復(fù)用技術(shù)）；更為重要的是，激光具有相干性，用它來(lái)攜帶信息才能解碼為電信號(hào)，供數(shù)字設(shè)備使用。激光的相干性在全息成像、全息防偽等應(yīng)用也是技術(shù)關(guān)鍵所在，全息術(shù)的實(shí)現(xiàn)者也在 1971 年被授予了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

全息成像技術(shù)

激光的另一大優(yōu)點(diǎn)就是方向性好。這個(gè)最典型的應(yīng)用就是激光測(cè)距，從地球發(fā)出一束激光傳到月球表面，在月球表面的光斑直徑不過(guò)兩公里，足以反射回來(lái)完成測(cè)量。在某寶上也可以買到幾十幾百塊錢的激光測(cè)距儀，不過(guò)這樣的測(cè)距儀和激光筆一樣，也屬于半導(dǎo)體激光器，方向性不是特別好，只能測(cè)百余米的距離，想測(cè)月球那是萬(wàn)萬(wàn)不能了。小編曾經(jīng)做過(guò)改善這種測(cè)距儀的設(shè)計(jì)，使得其可以測(cè)到近千米的范圍。激光的方向性保證了它可以攜帶較高的能量傳輸極遠(yuǎn)的距離，激光測(cè)速、激光雷達(dá)乃至激光武器都是利用了激光的這一特性。

高端應(yīng)用：激光質(zhì)子放療、物質(zhì)成分檢測(cè)

講完了在日常生活里能接觸到的激光應(yīng)用，我們?cè)賮?lái)看看激光在前沿領(lǐng)域有哪些高大上的應(yīng)用。

2018 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，授予了光鑷技術(shù)的發(fā)明者。光是一種物質(zhì)，也具有能量和動(dòng)量，光照在物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力，稱為“光壓”。平時(shí)太陽(yáng)光照在身上，產(chǎn)生的光壓微不足道，因此我們沒(méi)有察覺(jué)，但激光非同小可，通過(guò)激光形成的光鑷可以用于操控基本粒子乃至生物細(xì)胞這樣的微小事物移動(dòng)排列，在物理學(xué)和生物學(xué)研究領(lǐng)域都有相當(dāng)重要的應(yīng)用。

利用此前所述的超快激光器所產(chǎn)生的巨大光壓還可以將電子和質(zhì)子從薄靶中打出，形成高能量的電子束和質(zhì)子束，可以用于癌癥的質(zhì)子放療。質(zhì)子放療的優(yōu)勢(shì)在于能夠精確獵殺癌細(xì)胞而不會(huì)損傷正常的組織細(xì)胞，這也是目前正在迅猛發(fā)展的研究領(lǐng)域。

激光驅(qū)動(dòng)粒子加速

在建的激光質(zhì)子放療系統(tǒng)

激光作用在材料表面產(chǎn)生的等離子體也會(huì)輻射出光譜，通過(guò)測(cè)量這些光譜就可以分析出材料的物質(zhì)成分，比之傳統(tǒng)的化學(xué)檢測(cè)方法，有著微創(chuàng)、快速、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，在珍貴的文物勘探、食品檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)勘探、海洋探測(cè)、太空探測(cè)等領(lǐng)域有著不可替代的作用。

激光檢測(cè)物質(zhì)成分

激光光壓不僅可以加速粒子，也可以使粒子減速，1997 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的授獎(jiǎng)內(nèi)容就是“激光捕捉及冷凍原子”，通過(guò)減速粒子達(dá)到激光冷卻的效果。光鑷的發(fā)明和這項(xiàng)技術(shù)是分不開(kāi)的，2001 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也是通過(guò)激光冷卻實(shí)現(xiàn)的，此外激光冷卻還在原子鐘、原子干涉儀等高科技設(shè)備里有著決定性的作用。

因激光的單色性所實(shí)現(xiàn)的光學(xué)頻率梳可以用于高精度的測(cè)量而獲得 2005 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，超分辨熒光顯微鏡獲得 2014 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，等等不勝枚舉。這些我們平時(shí)難以接觸的前沿領(lǐng)域已經(jīng)越來(lái)越離不開(kāi)激光的幫助，并越來(lái)越需要更強(qiáng)更快的激光器，激光和其他科技的發(fā)展相輔相成。

激光是互聯(lián)網(wǎng)之核心，現(xiàn)代制造業(yè)之基石

激光與半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)被譽(yù)為20世紀(jì)中期的三大發(fā)明，在誕生的半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)為人類創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)財(cái)富。截至 2018 年，共有 28 為諾貝爾獎(jiǎng)得主的研究領(lǐng)域與激光相關(guān)。激光，已經(jīng)成為我們賴以生存的科技社會(huì)的一個(gè)不可或缺的組成部分，激光是互聯(lián)網(wǎng)的核心，是現(xiàn)代制造業(yè)的基石，是感知世界的手段，是探索未知世界的工具，可以預(yù)見(jiàn)激光將會(huì)繼續(xù)在各個(gè)領(lǐng)域扮演重要的角色，其未來(lái)的發(fā)展將會(huì)不可限量。