激光，在生活中無處不在，卻又神秘莫測。不知道大家是不是和我有一樣的疑問：我們身邊的激光打印機也沒什么稀奇的，激光筆低價的才幾元一支，為什么老師一邊拿著這么便宜的激光筆在黑板上指指點點，一邊又說激光是高科技，國之重器呢？
世界上第一臺激光器剛剛度過了它60歲的誕辰（1960年5月16日世界第一臺激光器——紅寶石激光器誕生），今天小編就來給大家仔細講講激光究竟是一個什么樣的東西，和我們的生活又有什么關系。
第一臺紅寶石激光器
普通光為自發輻射，但激光為受激輻射
首先要弄清楚光源發光的機理。我們日常生活中的普通電燈所發出的光通常源于自發輻射。以最簡單的白熾燈為例，首先給燈絲通以電流，燈絲就會發熱，這時燈絲原子的核外電子就會吸收熱能，從較低的能級躍遷到較高的能級去。這就好像給電子充錢成為 VIP 電子，不過人家是良心商家，隨時可以退款，當了一陣 VIP 以后覺得沒意思，電子又從高能級躍遷回低能級去，這時為了滿足能量守恒定律，電子不會白白跌回去，而是會同時向外輻射出一個光子，這就發光了。注意這時電子是自己不想當 VIP 了所以跳回去，因此叫做自發輻射。自發輻射的特點就是各個光子之間相互獨立，沒有規律，所以普通電燈發出的光是射向四面八方的，并且輻射的頻率也不確定，比如發白光的日光燈就包含七種單色光，白熾燈所發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。
音樂會上的激光燈
激光之所以區別于普通光源，就在于其發光機理是受激輻射。在介紹受激輻射之前，我們先來看看激光這個名字的由來。想必大家知道激光的英文名 Laser，年紀稍長的朋友可能還租過鐳射影碟，“鐳射”就是英文單詞 Laser 的音譯。這個單詞并不是憑空新造的一個詞，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”，即通過受激輻射產生的光經過放大之后，中文名字的“激光”是在錢學森的建議下經討論后正式采用的。
說來說去，那受激輻射究竟是什么呢？且看下面這張圖：
自發輻射（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，越高表示電子的能量越高（VIP 等級越高），左邊自發輻射電子從高能級向低能級躍遷，同時輻射出一個能量等于兩能級能量差的光子；而受激輻射則是在外加光子的作用下，輻射出一個完全一樣的光子，這就是所謂“受激”的過程。這里再補充一下， hν在是一個光子的能量，其中h是普朗克常數，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，每一個頻率都對應著一個確定的顏色，下表列舉了可見光所對應的頻率和波長范圍（波長和頻率也是一一對應的）。我們可以看到，紅橙黃綠青藍紫，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，其顏色越偏向藍色。
前面已經說到，受激輻射是在外加光場的作用下，產生一個完全相同的光子的過程。這個外來的光子，可以是自發輻射產生的，也可以是人為注入的種子光，總之它進來了以后，出去的時候就會帶著一個一模一樣的好兄弟。所謂一模一樣，就是說兩個光子無法分辨，相當于一個復制放大的過程，如果再這個過程的出口加上反射鏡，這兩個光子又被反射回來，再來一次受激輻射，變成四個光子，如此反復，最終形成了激光。到此為止，我已經簡要說明了激光產生的過程，但想必各位心中還憋了老多疑問，大家稍安勿躁，我待會會一一介紹。
激光產生的原理就是受激輻射，這個其實非常簡單，早在 1916 年愛因斯坦就已經提出該理論。但要想制造出穩定的激光器，還是破費一番周折，直到 44 年后方才實現。激光器有三大要素：工作物質，泵浦源（或激勵源），諧振腔。這三個陌生的名字只怕一看就令人望而生畏，其實只是紙老虎而已，聽我慢慢說來。所謂“工作物質”，就是發光的東西，相當于燈絲（對于第一臺激光器而言，工作物質是紅寶石）；而泵浦源，簡單可以理解為電源，通過通電不斷使得工作物質的電子從低能級被泵浦到高能級，也就是激光器的能量提供者（VIP 贊助商）。諧振腔，其實就是兩塊反射鏡。
首先工作物質被泵浦源充值為 VIP，產生了自發輻射。自發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，由此不斷地進行受激輻射的過程，不斷放大——這就是諧振腔的“自然選擇”過程。左邊這塊鏡子是完全反射的，右邊這塊鏡子則可以透過一部分，反射一部分，透過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放大，最終就形成了連續穩定的激光輸出。注意這里諧振腔如果是兩個平面鏡構成，就叫做平平腔；也可以由一個平面鏡和一個凹面鏡組成，叫做平凹腔，所以業內一向認為賈平凹是搞激光的。
平平腔（左）和平凹腔（右）
想必各位已經聽得不耐煩了：我只關心激光能干什么，你講這么多原理干什么？其實仔細看了上面的過程的童鞋就會知道，激光的特性與它發光的機理是分不開的：首先是受激輻射的過程保證了激光的單色性（每個光子的頻率都是一樣的，顏色也就唯一）和相干性（這對于全息術等應用有重要的意義），通過諧振腔選出的光束具有很好的方向性（可以用于定向打擊、測距等），最重要的還是激光的高強度高功率特性。
下面我就專門來講講激光的應用領域，你會發現多到難以想象，真的是無處不在。
我們身邊的激光
激光筆
首先回到我們開篇的問題，激光筆還有收銀員用的條碼機可能是我們生活中最常見、最便宜的激光器了。激光筆的功耗也很小，似乎也沒什么殺傷力，很難把它和我們印象里的威力巨大的激光聯系起來。但激光筆的的確確是一個固體激光器。激光筆一般都是紅色，也有藍色綠色的，但激光器是不會發出“白光”這樣的復合光的；而且激光筆可以傳輸很遠的距離還能在墻上形成一個小光斑，這說明其方向性很好；如果你不小心直視了激光筆，那一下眼睛還是受不了的，可見在它管轄的很小的光束范圍內，所集中的能量還是很強大的。這些都是普通光源所無法實現的特性。
切記，不可直視激光筆！
激光加工
激光筆之所以便宜，就因為其功率低，工作物質是常見的半導體器件，一般激光功率不大于 5 mW。我們平時生活中還會用到的激光打印機也是使用這樣低功率的激光器。不過，目前世界上功率最高的激光器已經可以達到拍瓦量級（1015W），相當于全球電網平均功率的 500 倍。什么？比全球電網功率還高 500 倍？那誰給激光器供電呢？其實對于這種大功率激光器來說，都不是像激光筆那樣可以連續發光的了，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，忽然開閘泄洪，勢不可擋。這樣輸出的激光脈沖不僅能量大，而且脈沖持續時間極短，可以達到飛秒量級（10-15 s），也就是說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。
脈沖持續時間短是這種激光器具有巨大價值的重要原因，例如下面幾張激光加工的圖片就是小編自己在實驗室實現的。由于激光的脈沖時間短，激光剛剛射到我們的材料上，脈沖便即結束，迅速作用材料而不會因為巨大的能量導致熔化周圍的區域——如武林高手一般出手如電，材料還沒反應過來就已經被加工完成了。相比傳統機械或焊接加工，激光加工的優勢在于可加工材料范圍廣泛，效率高，加工尺度極小，實現超精細“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現。
這是小編親手用激光雕刻做的超能網logo
小編用激光雕刻的樹葉
激光內雕
這張激光內雕的圖還需解釋一下，它是在一塊實心的玻璃內部雕刻出來了一個三維的吉他的圖案。怎么能在內部加工而不損傷外部呢？其實也很簡單，好比用放大鏡聚焦太陽光以后可以點著螞蟻一樣，通過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去，在我們需要的地方實現激光聚焦，進行加工了。這樣高能、高精度、超短的激光脈沖還可以用于激光手術，治療近視眼就是最典型的例子，實現微創甚至無創手術。
激光的各優點的應用：光纖、測距等
上述激光加工主要應用的還是激光的高能、短脈沖特性，這里再簡單介紹幾個的其他優點具有哪些應用。
首先是單色性或相干性，在物理上這兩者實際上是等價的，這涉及到深奧的電磁理論，就不細講了。那么單色有什么好處呢？和我們最密切相關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，而不同顏色的光在介質中傳輸時速度是不一樣的，這就是為什么白光經過三棱鏡以后會分解成七色光——而激光的單色性就使得光信號在光纖中傳輸時不會發生這樣的色散，從而保證了通信的質量；此外，為了提高信道的利用率，一條光纖中往往會傳輸多個光束，正因為其頻率不同，才可以進行區分（這叫頻分復用技術）；更為重要的是，激光具有相干性，用它來攜帶信息才能解碼為電信號，供數字設備使用。激光的相干性在全息成像、全息防偽等應用也是技術關鍵所在，全息術的實現者也在 1971 年被授予了諾貝爾物理學獎。
全息成像技術
激光的另一大優點就是方向性好。這個最典型的應用就是激光測距，從地球發出一束激光傳到月球表面，在月球表面的光斑直徑不過兩公里，足以反射回來完成測量。在某寶上也可以買到幾十幾百塊錢的激光測距儀，不過這樣的測距儀和激光筆一樣，也屬于半導體激光器，方向性不是特別好，只能測百余米的距離，想測月球那是萬萬不能了。小編曾經做過改善這種測距儀的設計，使得其可以測到近千米的范圍。激光的方向性保證了它可以攜帶較高的能量傳輸極遠的距離，激光測速、激光雷達乃至激光武器都是利用了激光的這一特性。
高端應用：激光質子放療、物質成分檢測
講完了在日常生活里能接觸到的激光應用，我們再來看看激光在前沿領域有哪些高大上的應用。
2018 年的諾貝爾物理學獎，授予了光鑷技術的發明者。光是一種物質，也具有能量和動量，光照在物體時會產生壓力，稱為“光壓”。平時太陽光照在身上，產生的光壓微不足道，因此我們沒有察覺，但激光非同小可，通過激光形成的光鑷可以用于操控基本粒子乃至生物細胞這樣的微小事物移動排列，在物理學和生物學研究領域都有相當重要的應用。
利用此前所述的超快激光器所產生的巨大光壓還可以將電子和質子從薄靶中打出，形成高能量的電子束和質子束，可以用于癌癥的質子放療。質子放療的優勢在于能夠精確獵殺癌細胞而不會損傷正常的組織細胞，這也是目前正在迅猛發展的研究領域。
激光驅動粒子加速
在建的激光質子放療系統
激光作用在材料表面產生的等離子體也會輻射出光譜，通過測量這些光譜就可以分析出材料的物質成分，比之傳統的化學檢測方法，有著微創、快速、準確的優勢，在珍貴的文物勘探、食品檢測、生物醫學、地質勘探、海洋探測、太空探測等領域有著不可替代的作用。
激光檢測物質成分
激光光壓不僅可以加速粒子，也可以使粒子減速，1997 年諾貝爾物理學獎的授獎內容就是“激光捕捉及冷凍原子”，通過減速粒子達到激光冷卻的效果。光鑷的發明和這項技術是分不開的，2001 年諾貝爾物理學獎也是通過激光冷卻實現的，此外激光冷卻還在原子鐘、原子干涉儀等高科技設備里有著決定性的作用。
因激光的單色性所實現的光學頻率梳可以用于高精度的測量而獲得 2005 年諾貝爾物理學獎，超分辨熒光顯微鏡獲得 2014 年諾貝爾化學獎，等等不勝枚舉。這些我們平時難以接觸的前沿領域已經越來越離不開激光的幫助，并越來越需要更強更快的激光器，激光和其他科技的發展相輔相成。
激光是互聯網之核心，現代制造業之基石
激光與半導體、計算機被譽為20世紀中期的三大發明，在誕生的半個多世紀以來為人類創造了巨大的物質財富。截至 2018 年，共有 28 為諾貝爾獎得主的研究領域與激光相關。激光，已經成為我們賴以生存的科技社會的一個不可或缺的組成部分，激光是互聯網的核心，是現代制造業的基石，是感知世界的手段，是探索未知世界的工具，可以預見激光將會繼續在各個領域扮演重要的角色，其未來的發展將會不可限量。
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