受外界影响.一、什么是激光

　　（1）激光是怎样产生的

　　这得先从普通光说起.大千世界之所以显得万紫千红,百色争艳,是因为各种物体将阳光反射到人眼的视网膜上,再由视神经将光信号转换成生物电信号送至人脑,经综合分析后才产生色觉.

　　1666年,赫赫有名的英国物理学家兼数学家牛顿创立了光学这门学科.他发现,当金色的太阳光通过三棱镜后,会分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光,而这七色光实际上是波长不同的七种光.当时,牛顿认为光是由一个个弹性小球组成的.这就是所谓的光的微粒说.

　　跟牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯却不这样想.他认为光与声音一样,都是一种空气振动过程,这种振动像水波那样是一波接一波传递的.这也就是光的波动说.

　　1802年,英国医师兼物理学家托马斯·杨用光的干涉实验,检验牛顿和惠更斯的理论.结果,否定了光的微粒说,肯定了光的波动说.

　　1864年,英国物理学家麦克斯韦在仔细研究了光波后指出：光波是与无线电波、X射线以及γ射线一样的电磁波,它们之间的区别仅仅是波长不同.无线电波一般以米为单位,光波则比无线电波短很多,常用微米做单位（1米=1000000微米）,而人的肉眼只能感觉到波长为0.4～0.7微米之间的一小部分电磁波.

　　这样,麦克斯韦完成了人类对光认识的第一次飞跃,使光的波动说被大家承认.然而,这次认识飞跃也像当年的微粒说一样,并不完全正确.因为这样光的波动理论,虽能比较满意地解释光在传播过程中产生的反射、折射和干涉现象,但却解释不了光电效应.

　　于是,德国大名鼎鼎的物理学巨匠爱因斯坦于1905年提出了光子说.

　　光子说认为,光能是聚集成一份一份的,以不连续的形式在空中传播.每一份光叫做一个光量子.而每一个光量子相当于一个微粒,它以每秒30万千米的速度传播.因此,光量子既是一种微粒,又是一种电波.这样,光子说就把几百年来争论不休的两种观点,即光的微粒说和波动说统一了起来.

　　至此,人类在对光的认识史上终于完成了第二次飞跃.当然,人的认识是没有止境的,今后对光的本质很可能还会有新的认识.但不管怎样,到目前为止,光子说是最完美的解释.

　　如果我们把自然态的各种可见光称为普通光的话,那么,激光就是一种特殊光.不管是普通光还是特殊光,顾名思义,激光无疑也是光家族中的一员.但问题是激光与普通光性能截然不同,是光家族中得天独厚的骄子.那么,激光与普通光究竟有什么不同呢?

　　普通光是自发产生的.在自然界中,任何东西都有从高处向低处落的自发倾向.比如,山高海低,水就往低处流,形成百川归大海的现象.在微观世界,深入到物质的分子结构里面,同样也存在着类似的现象：处在激发状态（高能级）的原子,即使没有任何外界影响,过一段时间之后,它自己也会从高能级跃迁到低能级,同时放出一个光子,这种现象在物理学上叫作自发辐射.

　　普通光源的发生就是这种自发辐射的结果.比如一盏普通的白炽灯,它的钨丝中有大量的发光原子,每一种原子都有着自己特定的能级结构.当给白炽灯通电后,输入的电能很快转化为钨丝的热能,于是部分钨原子在获得能量后,纷纷从低能级跃迁到高能级.但这种高能状态是不稳定的,就像尖屋顶上的一只球,由于位能很高,很容易掉下来,一旦这些原子从高能量状态掉下来,回到低位能状态时,就会释放出一份能量,这份能量以光子的形式释放出来,于是电灯就发光了.

　　再如高压水银灯,放电后会产生许多能自由运动的电子,这些电子在电场作用下加速,速度比子弹还要快很多.当这类电子与水银原子碰撞时,就把能量传给水银原子,使水银原子受到激发,达到不稳定的高能量状态.然后,又自发地从高能量状态掉下来,回到低能量状态时,就发出了光.

　　但是,不论是白炽灯、日光灯还是高压水银灯,它们的发光原子自发地由不稳定的高能级向低能级跃迁时,都是独立进行的,彼此之间没有任何联系,这就好像枣子成熟后总是各自落到地面上,彼此之间没有任何联系一样.因而,普通光发出的光子,状态是各不相同的,不仅波长不一样,发射的方向也都不一样,向四面八方的都有.也就是说,自发辐射产生的光,它的波长和方向是杂乱无章的.

　　激光是激出来的.发光有两种形式.上面讲的自发辐射是发光的一种形式.除此之外,还有另一种发光形式,那就是受激辐射.什么是受激辐射呢?这就是说,原来处在高能级的原子,还可以在其他光子的刺激或感应下,跃迁到低能级,同时发射出一个同样的光子.由于这一过程是在外来光子的刺激下产生的,所以叫作受激辐射.有趣的是,新产生的光子与外来光子具有完全相同的状态,即频率一样、波长一样、方向一样,结果就内外勾结,相得益彰.

　　辐射,就能使一个光子变成两个光子,这两个光子又会引起其他原子发生受激辐射,于是,在极短的瞬间内激发出无以数计的光子,实际就将光放大了.在这种情况下,只要辅以必要的设备,就可以形成具有完全相同频率和相同方向的光子流,这就是激光.而放大光的设备,就是激光器.激光与普通光相比,是青出于蓝而胜于蓝.

　　因为孕育出激光的光源本身并不是激光.也就是说,在实际使用的激光器中,受激辐射过程中使用的原始光信号并不是来源于外界,而是来源于激光器内部的自发辐射.上面我们已讲了,自发辐射产生的是普通光,如同普通光源发出的光一样,在发射方向上是完全无规则的.为了解决这个问题,激光器内的发光物质（也叫工作物质）,被安置在一个单方向的管腔内.这样一来,尽管自发辐射的光是各奔东西的,但其中总有一些光子会沿着管腔内的直线方向前进.并且,它们一边前进,一边还会刺激和促使其他处在高能级状态的原子,使它们也产生受激辐射,并释放出跟前进方向相同的光子.这样,这支前进中的光子队伍,由于一路上不停地招兵买马,便形成越来越强的高能光束.当能量达到一定强度时,激光器便将这道强光束发射出去,这就成了无坚不摧的激光.

　　在1953年,根据爱因斯坦的受激辐射原理,美国物理学家汤斯研制成功了微波放大器.与汤斯同时代的苏联物理学家巴索夫和普罗乔罗夫,也独立研究了微波放大理论.由于光波实质上是频率特高的电磁波,所以他们三个人通过研究,到1958年提出,微波技术完全可以用于光波放大.

　　能够放大光的设备在物理学上叫作光激射器,或简称激光器.无论是激光还是激光器,在英语中通用一个单词：LASER,音译为“莱塞”,亦即“受激辐射放大光”的缩略词.

　　至此,激光的诞生已到了瓜熟蒂落,水到渠成的阶段.1960年9月,激光这个光家族的骄子终于呱呱堕地.幸运的接生婆则是美国年轻的物理学家梅曼.当时梅曼的激光器中使用了一根人造红宝石作为发光物质,以强光作为激光源.红宝石是一种人工制造的晶体,它的主要成分是氧化铝.纯净的氧化铝叫刚玉,是无色透明的,在它里面加入一些氧化铬,就成了人工红宝石.当梅曼用氙灯的闪光照射红宝石时,实验室里突然发射出一束深红色的光,其亮度达到太阳表面亮度的4倍,这束振奋人心的耀眼的光束就