【极热篇｜第二章：不同温度的物质形态】03 激光

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严老师讲义 

要获得高温，尤其是局部高温，激光是最有效的方式。激光的现象，最早是由爱因斯坦预言的。爱因斯坦通过对量子力学的研究，提出了激光的可能性，但是等到 50 年之后，也就是上世纪 60年代，激光才被真正的发明出来。

2.3.1 光的干涉现象

为了理解激光的原理，首先要复习一下第一篇【极快篇】以及第四篇【极小篇】中都提到过的一个物理现象，叫做波的干涉。

波的干涉，就是当多于一束波传达到同一个位置的时候，它们的振幅之间发生相互关联的作用。这种干涉效果，在两束频率相同的波之间最为明显。

当两束光的波峰同时抵达某处，这里的振幅就是两束波波峰振幅的叠加，变成之前的两倍。由于两束波的频率相同，在今后的时间里，两束波的步调完全一致，也就是这个地方的振幅永远都是单束波的两倍。波的能量正比于其振幅的平方，所以当振幅变为原来的两倍时，能量就变成了原来的四倍，这就是干涉相长的情况。如果两束波到达时刚好差半个波长，也就是波谷碰到波峰，这个时候这里的振动就直接为零，两束波就相互抵消了。

光就是电磁波，所以当两束光发生干涉现象的时候，如果是差整数倍的波长，则显得极其明亮，反之则十分暗淡。此处要注意，两束光波叠加振幅变为原来的两倍，能量变为四倍。但根据能量守恒，不会出现总能量是原来四倍的情况，这里应当理解为功率是原来的四倍。

2.3.2 激光的定义

可以想象，如果不是两束光，而是 N 束光一同发生干涉现象，振幅就会是原来的N倍，功率会变成原来的N²倍。10束光进行干涉相长，功率会是没有干涉情况下的100倍。

这就得到了激光（LASER，Light Amplification by Stimulated Emission Radiation），中文翻译过来叫受激辐射。

我们通过一种方式，使得大量的光子以完全一致的频率、步调射出，这就得到了一束激光，它的功率非常高。宏观的光子数量就不只是10个光子那么简单了，它是阿伏加德罗常数等级的数字的平方，功率高得难以置信。如果把这些激光聚焦在非常窄的范围内，将获得极高的能量密度，就会产生极高的温度。

2.3.3 如何制造激光？

那么如何制造这种大规模数量的同步调光子呢？答案就是受激辐射。可以考虑一个原子里电子的运动情况。我们知道，热辐射的本质是因为原子中处在高能量态的电子不稳定，根据能量最低原理，它需要掉落到能量比较低的能级，为了保证能量守恒有一个能量等于两个能级差的光子会被放出。

让我们考虑这样一个过程，这个被放出的光子，如果遇到了周围另外一个也处在高能级的电子，这个电子的能量状态跟放出这个光子的原子放出光子前的能量状态一样，那么在这个入射光子的扰动下，这个电子也会放出一个光子。因为电子在高能级的时候是不稳定的，就好比一个小球放在坡顶，它可以停留在那里，但是只要有外界的扰动，它就会从山坡上滚下来。高能级电子的情况跟这个小球完全类似，如果没有光子扰动它，它的趋势也是要往低能级走，但是光子一旦扰动，这种往低能级跳跃的情况就会立刻发生。

电子被扰动后放出的光子的步调和刚才入射的光子完全一致，这样以来就有了两个步调和频率完全一致的光子，它们是双胞胎光子。这两个双胞胎光子也会去扰动其它电子，以此类推，变成3胞胎、4胞胎……N胞胎。这样就获得了大量的同步调光子，这就是激光的雏形。

问题是我们如何保证有那么多高能量态的原子可以被激发呢？这就需要对原子进行升温。在保证这些原子是同一种类原子的情况下，只要对它们升温，原子的能量就会提升上去。当温度不太高时，还是处在低能量的原子个数比较多，也就是单位时间内被激发到高能量的原子的数量不如由高能量掉下来的原子数量多。因此，无法存在足够多的高能态的原子以产生受激辐射。

但当升温到一定程度，处在高能量的原子数比处在低能量的原子数量多的时候，就会出现大规模的辐射现象。因为这个时候已经有太多的高能级原子，这会让受激辐射更占据主导，有点像高能原子的“雪崩效应”。这里还要解释得细一些，激光发生的条件，是处在高能级的原子数量要比处在低能级的原子数量多。

为什么呢？如果大部分原子还是处在低能级，高能级的原子放出的光子，主要还是被低能级的原子吸收，无法形成稳定的激光输出。但是如果高能级的原子比低能级的多，受激辐射放出的光子，不能全部被低能级原子吸收，剩余不被吸收的光子就成为了激光的来源。

受激辐射发生后，这堆原子中会产生各个方向的激光。但从应用的角度来说，我们希望激光更加聚焦。因此还要用一个特殊装置来获得单向聚焦的激光。

这个装置的结构比较简单，就是一个圆柱形的桶，桶内是发生受激辐射的原子，桶的两个底边是被调节得非常平行的镜子。可想而知，只有当那些垂直于镜面方向射出的光线才能在腔体里稳定回弹，否则就会射到圆柱体的外面去了。

激光系统谐振腔

我们可以通过调节圆柱形的长度来控制射出激光的波长。原理很简单，光要在两面镜子之间形成稳定的振动，镜子间的距离必须是光波波长的整数倍。因为镜面是金属材质，金属当中不能存在电场，因此，光波的振幅在镜面处必须为0。

要两端都为 0，两面镜子的距离必须为半波长的整数倍。但是又因为回弹出来的光线，不能与入射的光线抵消，所以就排除了半波长奇数倍的情况。为了保证光波在腔体里的回弹能进行，还要增强光波的强度，则腔体长度必须是波长的整数倍。由此，射出来的激光单色性极好，也就是它的频率是非常统一的。只有当频率是极其一致的时候，才能形成振动步调完全一致的激光

激光在谐振腔中形成驻波

2.3.4 激光的用途

激光的用途非常多，比如激光切割、激光手术刀，包括可控核聚变的点火都是依靠激光。因为激光的高功率可以在短时间内把一个小区域内的温度加热到极高，上亿度也不在话下。

但是激光除了能够在短时间内给出极高的温度以外，还能制冷。制冷的机制要复杂一些，我们下一节来介绍激光制冷。