相信激光這名詞對大家來說一點也不陌生。在日常生活中，我們常常接觸到激光，例如在課堂上我們所用的激光指示器，與及在計算機或音響組合中用來讀取光盤資料的光驅(qū)等等。在工業(yè)上，激光常用于切割或微細加工。在軍事上，激光被用來攔截導彈。科學家也利用激光非常準確地測量了地球和月球的距離，涉及的誤差只有幾厘米。激光的用途那么廣泛，究竟它是如何產(chǎn)生的呢？以下我們將會闡釋激光的基本原理。 激光的發(fā)展有很長的歷史，它的原理早在 1917 年已被著名的物理學家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。 激光英文名是 Laser，即 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 的縮寫。激光的英文全名已完全表達了制造激光的主要過程。但在闡釋這個過程之前，我們必先了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，與及光的輻射和吸收的原理。 圖一 碳原子示意圖物質(zhì)由原子組成。圖一是一個碳原子的示意圖。原子的中心是原子核，由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶有正電荷，中子則不帶電。原子的外圍布滿著帶負電的電子，繞著原子核運動。有趣的是，電子在原子中的能量并不是任意的。描述微觀世界的量子力學告訴我們，這些電子會處于一些固定的「能階」，不同的能階對應于不同的電子能量。為了簡單起見，我們可以如圖一所示，把這些能階想象成一些繞著原子核的軌道，距離原子核越遠的軌道能量越高。此外，不同軌道最多可容納的電子數(shù)目也不同，例如最低的軌道 (也是最近原子核的軌道) 最多只可容納 2 個電子，較高的軌道則可容納 8 個電子等等。事實上，這個過份簡化了的模型并不是完全正確的 [1]，但它足以幫助我們說明激光的基本原理。 電子可以透過吸收或釋放能量從一個能階躍遷至另一個能階。例如當電子吸收了一個光子 [2] 時，它便可能從一個較低的能階躍遷至一個較高的能階 (圖二 a)。同樣地，一個位于高能階的電子也會透過發(fā)射一個光子而躍遷至較低的能階 (圖二 b)。在這些過程中，電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能階的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。 圖二 原子內(nèi)電子的躍遷過程當原子內(nèi)所有電子處于可能的最低能階時，整個原子的能量最低，我們稱原子處于基態(tài)。圖一顯示了碳原子處于基態(tài)時電子的排列狀況。當一個或多個電子處于較高的能階時，我們稱原子處于受激態(tài)。前面說過，電子可透過吸收或釋放在能階之間躍遷。躍遷又可分為三種形式﹕ 1. 自發(fā)吸收 - 電子透過吸收光子從低能階躍遷到高能階 (圖二 a)。 2. 自發(fā)輻射 - 電子自發(fā)地透過釋放光子從高能階躍遷到較低能階 (圖二 b)。 3. 受激輻射 - 光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相，此波長對應于兩個能階的能量差。一個光子誘發(fā)一個原子發(fā)射一個光子，最后就變成兩個相同的光子 (圖二 c)。 激光基本上就是由第三種躍遷機制所產(chǎn)生的。圖三顯示紅寶石激光的原理。它由一枝閃光燈，激光介質(zhì)和兩面鏡所組成。激光介質(zhì)是紅寶石晶體，當中有微量的鉻原子。在開始時，閃光燈發(fā)出的光射入激光介質(zhì)，使激光介質(zhì)中的鉻原子受到激發(fā)，最外層的電子躍遷到受激態(tài)。此時，有些電子會透過釋放光子，回到較低的能階。而釋放出的光子會被設于激光介質(zhì)兩端的鏡子來回反射，誘發(fā)更多的電子進行受激輻射，使激光的強度增加。設在兩端的其中一面鏡子會把全部光子反射，另一面鏡子則會把大部分光子反射，并讓其余小部分光子穿過﹔而穿過鏡子的光子就構(gòu)成我們所見的激光。 圖三 紅寶石激光的示意圖產(chǎn)生激光還有一個巧妙之處，就是要實現(xiàn)所謂粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。以紅寶石激光為例 (圖四)，原子首先吸收能量，躍遷至受激態(tài)。原子處于受激態(tài)的時間非常短，大約10-7 秒后，它便會落到一個稱為亞穩(wěn)態(tài)的中間狀態(tài)。原子停留在亞穩(wěn)態(tài)的時間很長，大約是10-3秒或更長的時間。電子長時間留在亞穩(wěn)態(tài)，導致在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的原子數(shù)目，此現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵，因為它使透過受激輻射由亞穩(wěn)態(tài)回到基態(tài)的原子，比透過自發(fā)吸收由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)的原子為多，從而保證了介質(zhì)內(nèi)的光子可以增多，以輸出激光。 圖四 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)激光透過受激輻射產(chǎn)生，有以下三大特性 (圖五)﹕ 1. 激光是單色的，在整個產(chǎn)生的機制中，只會產(chǎn)生一種波長的光。這與普通的光不同，例如陽光和燈光都是由多種波長的光合成的，接近白光。 2. 激光是相干的，所有光子都有相同的相，相同的偏振，它們疊加起來便產(chǎn)生很大的強度。而在日常生活中所見的光，它們的相和偏振是隨機的，相對于激光，這些光就弱得多了。 3. 激光的光束很狹窄，并且十分集中，所以有很強的威力。相反，燈光分散向各個方向轉(zhuǎn)播，所以強度很低。 圖五 普通燈光與激光的比較以能量劃分，激光可大致可分為三類，第一類是低能量激光，這類激光通常以氣體為激光介質(zhì)，例如在超級市場中常用的條形碼掃描儀，就是用氦氣和氖氣作為激光介質(zhì)的；第二類是中能量激光，例如在課堂上用的激光指示器；最后一類為高能量激光，一般用半導體作為激光介質(zhì)，輸出的功率可高達 500 mW。用于熱核聚變實驗的激光可發(fā)射出時間極短但能量極高的激光脈沖，其脈沖功率竟可達1014 W！這激光可產(chǎn)生達一億度的高溫，引發(fā)微粒狀的氘-氚燃料進行熱核聚變。 [1] 根據(jù)量子力學，電子不是在一些明確的軌道上繞原子核運動的，它們的位置只可利用或然率通過薜定諤方程預測。 [2] 量子力學說明光也有粒子的性質(zhì)，特別是在光與原子作用的時候。光的粒子稱為光子。