激光笔，激光切割，激光扫描——激光是如何被发明出来的？

出品：科普中国建造：星之队监制：中国科学院计较机汇集信息中心"激光"的英文名全称是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ,中辞意思是，经由过程受激辐射发生的光放除夜。激光的"激"就代表着受激辐射。（图片来历于新浪，作者有改动）这里的辐射，和我们常说的辐射、电脑辐射是不是是一回事呢？别焦心，后面我们会讲。其实糊口在现代社会的我们，经常会接触到激光。好比，在黉舍，教员上课会操作激光笔；在医学上，激光可以用来更正视力上的错误谬误；在工业上，我们可以用激光切断钢材和其他材料；在超市里，售货员结帐的时辰的用的电子扫描枪也操作了激光。激光（图片来自htt://www.wissenschaft.de/）激光是甚么呢？通俗的光又和激光有甚么分辩呢？激光和通俗的光完全不合泛泛糊口中我们见到的光源除夜除夜都是不相关的光源，例如手电筒的光，太阳的光和电灯泡里发出的光。所谓的不相关，是指从这些光源里面发出的光有两个配合特点，都是由不合色彩的光组成，看起来都是白光，而且这些不合色彩的光，甚至是其中色彩不异的光，偏振的标的方针都纷歧样具体来讲，，它们发出的光在各个频率上都有分布，换句话说，它们是由各类不合的色彩组成的，这些不合色彩的光叠加在一路，发射到我们眼里，我们看到的都是白色的光。第二，这些不合色彩的光，甚至是其中色彩不异的光，偏振的标的方针纷歧样。偏振就是指光的振动标的方针，好比说从智高屏幕里发出的光就是偏振的，当我们带着偏振墨镜去看屏幕，只能从一个标的方针看到屏幕上的内容。当动弹屏幕到必定角度时，屏幕上的内容会完全磨灭踪，这时辰屏幕光的偏振标的方针和墨镜所准予的偏振标的方针完全垂直，所以我们看不到屏幕上的内容。以下图中的丙气象。操作偏振片P发生的偏振光。（图片来自http://www.xinhuanet.com/science/2018-07/20/c_137336876.htm）激光则是完全相反的一类光。它具有很强的相关性，所以它只具有一种频率。这也就是为甚么我们看到的激光老是有色彩的，而且只有一种色彩。除相关性以外，激光此外一个首要的特点就是发散性很小，这也是我们泛泛泛泛看到的激光老是一条线的启事。而且因为这个启事，激光的功率也比通俗的光除夜良多。（图片来历：Veer图库）总之，激光就仿佛是良多若干良多若干好多人在排队走方阵，巨匠的法度楷模，速度和标的方针都是一样，可控性强，步履力高。通俗的光就好比广场上的人群，巨匠的法度楷模，速度甚至是标的方针都纷歧样，可控性底，步履力差。从原子的层面去熟谙"光"但恰是因为激光这么不凡，要发生激光并没有那么等闲。那么，我们泛泛泛泛所见的激光器，又是若何被发现出来的呢？在回覆这个问题之前，我们先来讲说光是若何从原子里发出来的。一个原子要发出光，首先需要额外的能量把它从基态激起到激起态。基态可以理解为根底状况，就是原子泛泛泛泛所处的能态，这就好比宿舍里的下铺，待不才铺省能量。上铺就相当于激起态，需要吃力才能上到上铺。当我们从上铺跳下来时（现实上是从扶手梯上下来），我们在上铺的能量会以振动的形式释放到地板。原子能级的基态和激起态（作者廉价）对原子来讲，当它从激起态到基态时，释放的能量就是电磁辐射，当电磁辐射的频率在可见光的规模内时，就是我们看到的光。当然，除夜都原子存在不止一个激起态，这些激起态之间也是有能量分歧的。当原子从高激起态下降到低激起态，也是会发出电磁辐射的。泛泛糊口中我们所说的甚么辐射，电脑辐射其实就是一种电磁辐射，没有甚么不凡的，它们的辐射功率远远小于太阳光这个电磁辐射的功率，是以没有需要十分管忧。而且也没有科学证据注解或电脑的电磁辐射对人体有甚么风险。在通俗的光源华夏子被随机地激起到不合的激起态，然后又随机地下降到比这个激起态能量更低的激起态或基态上时，原子就会发出各类不合频率（也就是不合色彩）的光，这样光同化到一路就是我们泛泛泛泛所见的白光。要想实现激光，我们就必需把除夜量的原子激起到统一激起态，然后让它们发出频率、相位和偏振标的方针一样的光。实现这个方针的关头过程之一就是受激辐射。受激辐射的概念是爱因斯坦在1917年揭晓的辐射量子理论的论文里首先提出来的。这篇论文是激光成长史上首要的里程碑。爱因斯坦为激光的出生避世奠基理论根底要说这篇论文，还得从一场物理学革命说起。在1900年，量子力学的建树者普朗克揭晓了有关能量和辐射频率的首要文章。在这篇文章里，普朗克首先提出了能量量子化的概念。△阿尔伯特．爱因斯坦，二十世纪伟除夜的物理学家之一（图片来自htt://www.wikiwand.com/en/Albert_Einstein）能量量子化指的是从辐射源辐射出来的能量不能取肆意小的值，能量只能是某个小值的整数倍。普朗克揭晓了这篇文章后，并没成心想到自己文章的首要性，他一贯感受能量量子化只是权宜之计，在未来必定会有某个经典的理论可以注释它。可是爱因斯坦读了他的文章后，活络自得识到了这篇文章所传达的首要物理意义，并在1905年写了有关光电效应的文章，初度提出了光量子的概念。1905年,爱因斯坦还揭晓了有关狭义相对论的文章，将物理学带入了＂高速＂的时代。狭义相对论闻名的钟慢效应（图片来自htt://physics.a.org/synois-for/10.1103/PhysRevLett.113.12040在1905年揭晓了有关光电效应和狭义相对论的文章后，爱因斯坦很快在全数物理界获得了名望，可是他并没有就此止步，在全数世界还在顺应狭义相对论所带来的震动时，他已早思虑有关广义相对论的问题了。从1905年到1915年整整十年，爱因斯坦几近是独自一人构建了广义相对论的除夜厦。在1915年揭晓了有关广义相对论的文章后，他的寄望力才又早转向物质和辐射（激光就是辐射的一种）的彼此浸染方面。并在1917年提出了受激辐射的概念。△广义相对论指出，在除夜质量天体四周的时空会发生盘曲，这类盘曲已被此刻的不美不美观测所证实（图片来自htt://www.space.com/17661-theory-general-relativity.html）在注释受激辐射之前，我们先提一下甚么是自觉辐射（或自觉发射）。自觉辐射的概念也是由爱因斯坦提出来的。他指出，一个孤立的受激原子可以经由过程发射光子返回比它的激起态更低的能态，这个过程就是自觉辐射。我们泛泛糊口中所见到的荧光就是典型的自觉辐射现象。在提出了自觉辐射的概念后，爱因斯坦进一步猜想，光子更快乐喜爱在统一状况下一路不雅参观。对一群处于不异的激起态的原子的集结，它们会随机地发生自觉辐射。可是，假定一束频率不异的光子射向这群原子，这些光子将这些原子尽早释放自己的光子，而这些由原子释放的光子将以与入射光子不异的频率和相位在不异标的方针上传布。这就是受激辐射。原子的自觉辐射和受激辐射示意图（原创图）从理论到实践，三位关头人物爱因斯坦提出受激辐射的概念后，激光仿佛离我们很近了，可是直到1940年月和1950年月，物理学家才发现该概念的用处。这主若是要使除夜量的原子同时处于激起态并没有那么等闲实现，因为它们老是会发生自觉辐射而分隔激起态，更别谈操作受激辐射去激起它们了。实现激光操作的关头人物是查尔斯·汤斯（Charles Townes）。查尔斯·汤斯在第二次世界除夜战时代曾从事雷达系统的研究。战争竣事后，他将寄望力转向了分子光谱学，该手艺首要研究的是分子对光的领受。分子光谱学用光子轰击分子的概况，并分终结射的辐射以必定分子的结构。△查尔斯·汤斯（1915年7月28日－2015年1月27日），激光发现的前驱者（图片来自：htt://en..org/wiki/Charles_H._Townes）1951年4月26日，当汤斯在华盛顿的一个公园安步时，他倏忽有了一个灵感，那就是可以操作受激辐射的事理去发生高强度的微波束来研究分子。在这类设法的指导下，他1953年在美国哥伦比亚除夜学建造了台maser (microwave amplification by stimulated emission of radiation) 经由过程受激辐射发生的微波放除夜，也被称为微波激射器。因为发现微波激射器，查尔斯·汤斯获得了1964年的诺贝尔物理学奖。微波激射器发现出来后，我们距离激光的出生避世就只有一步之遥了（maser和laser仅仅差了一个字母）。查尔斯·汤斯和他发现的微波激射器．（图片来自htt://www.independent.co.uk/news/people）1958年，查尔斯·汤斯和他的姐夫亚瑟·肖洛（Arthur L. Schawlow）意想到只要对微波激射器略加刷新，便可以发生可见光规模内的受激辐射。他们提议在原型maser的腔的两头各安装一个反射镜，然后射入特定波长的光子，这些光子会从反射镜反射并往返穿过介质，这些光子就会不竭激起原子发生受激辐射，从而在不异波长下发射的光子。后来这两小我写了一篇具体介绍他们的概念的论文揭晓在了《物理评论》上。两年往后的1960年，休斯飞机的西奥多·迈曼（Theodore Maiman）制造了台红宝石激光器。从此，人类打开了激光时代的除夜门。△西奥多·迈曼（1927年7月11日－2007年5月5日）和他发现的红宝石激光器（图片来自htt://en..org/wiki/Theodore_Maiman）文章仅代表作者不美观不美观概念，不代表中国科普博览立场