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。
01
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通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。图库版权图片,不授权转载
02
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。
03
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。
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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。
04
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
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。
05
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?
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
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