闲话基本原理（本章基本原理比较长，请耐心细读）

1968年1月20日，美国国家航空航天局发射的最后一艘无人探月太空船测量员7号将携带的电视摄像机指向了地球。此时美洲处于黑夜中，整个地球就像一弯月牙，挂在漆黑的宇宙中。然而在太空船的摄像机里，黑漆漆的美洲大陆上却出现了两个亮点（见图2.1），这是UFO吗？还是消耗着百万千瓦的城市灯火？都不是。这两个点所代表的位置，一个是来自美国亚利桑那州的Kitt Peak国家天文台，另一个是来自美国加利福尼亚州的天文台。这两个点是由两个几年前发明的激光器所产生的激光光源，功率只有2W。从3×105km之外的月球上看，灯火通明的城市已经黯淡无光，然而一只有2W强度的激光光源却依然清晰，这就是神奇的激光。

激光的英文名称叫作Laser，原来是Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation的缩写，即通过受激辐射产生的光放大，而如今Laser已经作为一个独立的单词被广泛应用。在20世纪80年代之前，激光或许还是科研人员和“骨灰级”发烧友才能玩得起的东西，而从20世纪90年代开始，大量廉价的红色半导体激光器出现在市场上，激光开始进入寻常百姓家。在本书中，我们将利用这种廉价的激光器来进行几个有趣的实验和制作，在这一章里，我们首先来了解一下激光的故事。

我们对激光最直接的感受是它的颜色非常纯，光线非常集中。夜幕下，一支小小的激光笔发出的光在照射到几百米外的建筑物上时依然是一个明亮的小点。这两点正好体现了激光与普通手电筒之类的光源间的区别。颜色单纯表明激光所含频率单一，光线集中表明激光的方向性很好。在月球上还能看到地球上的激光，就是激光的方向性好的极佳体现。虽然只有2W的功率，但是这2W的光线非常“团结一致，携手并进”。直到3×105km之外，它们仍然“不离不弃”，这样从月球上看起来激光就非常明亮了。激光为什么会有这样的特点呢？这得从激光的构造说起。

一台典型的激光器的构造可以用图2.2表示。

激光器与一般光源最明显的区别就是它有两面反射镜，如图2.2所示，左边是一块略微透光的反射镜，右边是一块几乎不透光的反射镜（俗话说，世上没有不透光的镜子，所以这面镜子也只是“几乎不透光”）。激光从左边那个略微透光的反射镜中射出，而在两面反射镜之间是产生激光的发光物质（激光工作物质）。在这里，要先向非物理专业的读者致歉，因为我必须要聊一聊物质发光的量子理论，这对于大家理解激光，以及理解更多自然现象都是非常有帮助的。

在20世纪初期，人们从观察物质发光的光谱中，总结出了一套描述微观粒子运动的理论，称作量子理论。这个理论认为，光是像颗粒一样，一粒一粒（称作“光子”）以波动的形式传播的。这句话听起来很拗口，但是光就是这么一个“拗脾气”，这就是所谓的“波粒二相性”。大家暂时不理解也不要紧，因为据大师费曼断言，世界上没有人懂得微观粒子为什么会这样[1]。我们还可以很安全地认为光是电磁波，一个光子就是一束微弱的电磁波。而平时我们看到的光，则是由很多个光子组成的较强的电磁波。量子理论还认为，电子在原子内部有一些分立的“能级”，也就是说在原子内部，电子的排列不是随心所欲的，而是有森严的等级制度的，越高级别的电子拥有越大的能量。当一个身处高能级的电子跳跃到低能级时，根据能量守恒定律，就会有一些能量释放出来，化身为一个“光子”，这个发光的过程见图2.3，物理学家称之为“自发辐射”。

很容易理解，当一个电子处于低能级时，则也可以吸收一个能量为E₁-E₂的光子，跳到高能级去，吸收光的过程如图2.4所示，这个过程叫作“激发”。当然，如果这个电子在高能级“待腻”了，也可以跳回低能级，释放出一个能量为E₁-E₂的光子。

故事还没有结束，爱因斯坦先生认识到，发光的过程应该还有一种情况，那就是当一个处于高能级的电子恰好碰到一个能量为E₁-E₂的光子时，它会“随大溜儿”地跳到低能级，并且发射出一个和外来光子一模一样的光子。所谓一模一样，并不单单指能量一样，因为光子是一束微弱的电磁波，既然是波动，就还有频率、相位及前一章提到的偏振态。在量子理论中，光子的能量=常量[2]×频率，能量一样的光子，频率自然就一样了，这没有什么稀奇的。但是相位和偏振态也一样就不简单了。这说明电子发出的电磁波（发射光子）与刺激电磁波（入射光子）的电磁场振动完全同步，而且振动方向也一样，物理学家称这种发光过程为“受激辐射”，如图2.5所示。

设想一下，我们有很多个原子，它们的电子都处在一个高能级E₁，这时，某一个电子待不住了跳回低能级，产生一个E₁-E₂的光子。这个光子在它的传播过程中，到任意地方都能诱发当地的处于激发态的电子向低能级跃迁辐射光子，这样一个光子变成完全相同的两个光子，两个光子变成4个光子，4个光子变成8个光子……很快，我们就有了一支浩浩荡荡的光子队伍，它们都一模一样，具有相同的频率、偏振态和相位，这不正是Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation（通过受激辐射产生的光放大）吗？激光的产生近在咫尺！

至此，我们掌握了产生激光的必要“工具”——“受激辐射”。但奇怪的是，爱因斯坦先生在20世纪初就提出了这个概念，为什么要等到20世纪60年代激光才被发明出来呢？这是因为一个常识在作怪。这个常识说，在正常情况下，物质中的电子总喜欢待在低能级。这是无可非议的，正如水往低处流，世界上万事万物自然而然地都倾向于保持能量低的状态。所以，如果有很多个原子，只有一小部分原子的电子处于高能级。这时，如果某一个处于高能级的电子待不住了跳回低能级，产生一个光子，这个光子在传播的过程中，很有可能碰到另一个处在低能级的电子，从而吸收它（见图2.4），这样我们就不能得到更多的光子了。正因如此，受激辐射长时间内被看作没有什么用。

这种状况一直到1951年4月26日早上终于发生了改变，年轻的美国物理学家查尔斯·H. 汤斯先生，在清晨宁静清新的空气中，忽然有了一个利用受激辐射的奇妙想法[3]。如果我们能够不断地提供很多处于高能级的原子，这样就能够从源头上保证获得越来越多的光子（术语为粒子数反转，即处于高能级的原子数目比处于低能级的原子数目要多）。为了确保一个光子能够遇到更多的高能级原子产生受激辐射，他设想把这些高能级的原子放在两面反射镜之间（见图2.2），这样一个光子就能来回在处于高能级的原子间穿梭，在产生很多个相同光子以后，再从稍微透光的那一面反射镜发射出去（我描述的细节有很大的简化，读者可以参考《激光如何偶然发现》，以获得第一手准确资料）。后来的实验证明，汤斯先生的这两个伟大的构想是缺一不可的。仅仅有很多处于高能级的原子还不足以产生激光，必须加上两面反射镜才能够使得一个光子诱发足够次数的受激辐射，使光子得到充分的利用。

受激辐射和这两面反射镜的加入，直接决定了如今我们所熟悉的激光的特性。如前面所述，受激辐射产生了大量一模一样的光子，这样激光就具有了非常好的单色性（只含有一种频率）。而两面反射镜则导致激光具有极佳的方向性，这是为什么呢？让我们来看图2.6。

在图2.6（上）中，我们首先假设最左上角的那个原子的电子从高能级跳回了低能级，放出一个水平向右运动的光子，这个光子诱发受激辐射，“人气”一路飙升，产生很多光子。直到它们碰到右边的反射镜，它们的传播方向变成了水平向左，然后又继续诱发受激辐射（注意我们通过某种手段使得激光工作物质中的原子一直处于高能级的状态，即使它放出了一个光子，我们也能很快通过别的方式把它激发到高能级）。这一路“浩浩荡荡”的光子在遇到左边的反射镜时，一小部分光子透射出去，其余大部分还留在激光工作物质内继续增殖。这透出去的一部分光子就成了我们熟悉的激光，注意到了吗？它们都是朝向同一个方向运动的，丝毫没有扩散的意思。

读者会说，这是由于最初那个“种子”光子恰好是沿水平方向运动的，如果它稍微偏一点会怎么样呢？如图2.6（下）所示，这个光子同样也会诱发受激辐射，得到放大（光子数目的增多也被称为“放大”），但是很遗憾的是，因为走的是“歪门邪道”，它们很快就离开了激光工作物质，而不能像沿水平方向运动的光子那样被来回反射很多次，以得到反复放大。所以，两面反射镜的存在导致了激光具有极佳方向性。当然，汤斯先生在设计这样一个装置之时，他的出发点只是希望得到足够多次的放大，从而产生比较强的受激辐射。无心插柳柳成荫，这两面反射镜不仅增强了受激辐射，同时也起到了塑造激光纤细身型的作用。

至此，千呼万唤始出来的激光终于开始在人类的思考中慢慢变得清晰了。汤斯先生有了这个绝佳的点子以后，进行了很多仔细的计算，确信自己的构想是能够实现的。于是他和他的研究生开始了把想法付诸实践的漫漫长路。他们当时的目标是要制造一个产生“微波激光”的装置，即所产生的激光是微波波段，而非可见光波段（准确地说，这个装置叫作Maser而不是Laser。其中M代表着Microwave，即微波）。要创造一个全新的东西，不管后来看起来多么简单，创造的过程都是充满坎坷的。很长一段时间，汤斯先生的研究都没有进展，当时他所在的哥伦比亚大学物理系的两位诺贝尔物理学奖得主拉比教授和库施教授看在眼里急在心里，他们找到了汤斯先生，进行了一次谈话（参见《激光如何偶然发现》）。两位教授语重心长地说：“小汤啊，我们觉得你的想法是行不通的！你这是在浪费金钱和时间！”汤斯先生不信这个邪，他婉言拒绝了两位大物理学家的忠告，打算一条道走到黑。他对于自己的计算非常有信心，认为既然理论上完全行得通，那么就应该可以实现。

后来的结局大家都可以猜到，经过两年多的不断尝试（其中的千辛万苦与一次次的失望只有当事者才能体会），汤斯先生和他的学生成功地实现了第一台微波受激辐射放大装置Maser，因此获得了诺贝尔物理学奖。后来他又再接再厉，与他的姐夫阿瑟·肖洛先生（后来也获得了1981年的诺贝尔物理学奖）一起提出了可见光波段的受激辐射放大装置的原理，即真正意义上的Laser。1960年5月，美国物理学家西奥多·梅曼向世界宣布，他制造了第一台红宝石激光器，产生了红色的可见激光。一年之后，中国物理学家也制成了我国第一台红宝石激光器。两年之后，激光二极管问世。从此激光的研究与应用在世界各地开花结果。几十年来，在基础科学领域，与激光有关的诺贝尔物理学奖已经不下10次（有意思的是梅曼先生并未获得过诺贝尔物理学奖）。而在生活中，从计算机里的DVD光驱到超市里的条形码扫描器，激光的踪迹无处不见。激光还是科幻小说中的常客，中国第一部科幻小说《珊瑚岛上的死光》就是以激光为主要线索的。而“死光”这一激光的别名可能还得追溯到刚刚发现激光的时候，八卦记者们追问科学家这束神奇而强大的光能不能用于击落敌人的飞机，并因此赋予了它“Death Ray（死光）”的光荣称号。但是现在在医疗上用激光来救死扶伤远远多于激光在军事上的应用，应该说激光是“悬壶济世的神光”更为恰当。

聊了这么多有关激光的故事，作为业余科学家的读者一定很想要动一动手了，这正是我们接下来要做的事情。

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[1]参见费曼的著作《QED：光和物质的奇异性》。

[2]这个常量叫作普朗克常量，用h表示，h=6.63×10-34J·s。频率的单位是s-1，所以h乘以频率等于能量。一个红光光子的频率大约是4.7×1014s-1，所以其能量约为3.1×10-19J，的确是很微弱的一束光啊！

[3]参见查尔斯·H. 汤斯所著的《激光如何偶然发现》。