激光
高质量的光提供了新的可能

世上有手电筒，也有激光器。其实二者是一样的，都是能发射光线的装置。不过，我们也知道，它们之间一定有本质区别。一旦聊天涉及了激光这东西，人们就会变成兴致勃勃的未来派。想到科技发达的现代社会，就不可能不想到激光。激光可以读取CD、DVD和蓝光光盘，矫正我们的视力缺陷，测量距离，读取条形码，在讲幻灯片的时候代替木制的演示笔。

原子：光的工厂

“制造光”有许多不同的办法，一个广为人知的途径就是温度辐射。如果你加热一种材料，它就会辐射出五颜六色的光。不过，并非辐射出的所有颜色的光都一样多。颜色或者说波长的分布取决于温度。低温条件下你可能都看不到光，因为这时候大部分辐射光都是红外线。如果温度高一些，你就会看到物体发出红光（其实你能在这种光中看到许多颜色，但是有些颜色的光强度高）。传统的灯泡就是通过加热的钨丝发出这类光的。

除了传统的灯泡之外，还有装置也只能发出某种特定颜色的光。以钠蒸气灯为例，它只能发出黄光。这种灯的工作原理如下：出现高电压后，电流开始穿过钠蒸气。钠原子被电流中的电子碰撞，从而有能量传输到钠原子上。正如量子力学的法则所说：钠原子能从电流的电子中吸收一定的能量，利用这些能量让它自己的一个电子到达所谓“激发态”。这就是说，它比之前拥有了更多潜在的能量。就好像你从地上捡起一个球，把它放到桌子上。你需要一些能量才能完成这个动作，同时球也在这个过程中获得了一些能量。你的球可能会从桌子上滚落，这个过程又让球释放了那些能量。钠电子也是如此。它会通过释放光子、轻子的方式释放它的基态和激发态之间的能量差。每个原子类型都有它特定的能量差，被释放的光子能量也不同。又因为光子的能量与光的波长相对应，所以波长也会不同。至于钠，“回落的”电子会发出黄光。

大家伙儿，要保持步调一致啊！

“回落的”电子释放出的所有光子形成了辐射出的黄光。有一点要注意：波的不同在于定义其属性的波长和频率不同，不过，每种波还有其特定的相位。相位规定了一种波的振幅哪里是波峰、哪里是波谷。如果两种波的相位完全一致，它们就会发生相长干涉，振幅会叠加。如果你有两种波长相同，但相位相差一半的波，它们就会相互抵消（关于此类干涉的内容可参见关于双缝实验的小节）。就算你的钠蒸气灯中所有光子的相位都不同，你也不必担心。不过，如果你想聚焦光线，太多不同的相位就会产生麻烦，限制光线的聚焦程度。

对于物理学家来说，一个光源的所有光子都具有完全一样的相位，就好像它们步调一致似的。这正是传统光源和激光之间的区别！一束激光产生的光中所有光子相位都一样。我们管这叫“相干”光。可是，它是怎么做到的呢？有一个办法可以诱使电子退出激发态，在特定的时间辐射光。如果你不是一味等待它自己恢复，而是“刺激”它，就可以达到这个目的。一个电子处于激发态时，如果恰巧有一个光子经过，它的波长恰好与电子发射的相同，那这个电子就会从激发态中退出来！而且它会恰好在另一个光子经过时发生这个变化。这样一来，我们就有了两个相位相同的光子。我们此处运用的原理就是：用光子激发出的其他光子相位相同。

打造一束激光

我们需要什么？我们需要一种材料来激发其电子。我们要设法让所有电子进入激发态，让它们在激发态中停留一段时间。记住：它们不能自动退出这种状态，我们要用另一个光子诱使这一步发生。通常情况下，激光材料的状态不只有基态和激发态这两种，但是我们的讲解只需要涉及这两个状态。我们要对激光材料做的第一件事就是“泵浦”它。得有能量注入材料，才能让所有电子进入激发态。只要第一个电子退出激发态，它辐射出的光子就会撞上另一个原子。这也会让激发态电子退出该状态，释放出第二个光子——和第一个光子相位相同的光子。随着这两个光子继续运动，它们会导致更多光子被释放出来——相位全都一样！该材料必须被两面镜子围住，它们将来回反射光子，使得它们像导致雪崩一样不断激发出光子。好，到了某个时刻，你要把所有相干的光子从这个镜盒中放出去。于是，你在其中一面镜子上打一个小洞（或者让这面镜子的一部分变成透明的）；这样一来，激光便喷薄而出了。

要打造这样一束激光还有很多不同的方法。你可以用某种气体（比如CO2）、半导体、红宝石晶体等做活性材料。这种材料决定了激光的波长及其颜色。很多激光甚至不在可见光谱范围内。正如我们一开始说的，激光应用的范围相当广。它理想的聚焦特性使得它能做的事很多，比如用红色激光读取DVD、用蓝色激光读取蓝光光盘。蓝色激光的波长短，可以分辨较小的结构。所以我们才需要蓝光读取结构更小、存储数据更多的蓝光光盘。聚焦的激光还可以用于测量距离。不仅可以测量你房间中的距离、两座建筑之间的距离，还能测量地球到月球的距离。没错，宇航员把镜子放在月亮的表面，我们便可以借此来测量反射的光，从而计算出我们与月亮之间的距离，精确度可达毫米。

激光不仅有不同的颜色，还有不同的激光脉冲长度（低至几飞秒）和功率。高功率的激光甚至可以用来驱动核聚变或制作武器。激光的另外一个用途就是制造人工星光，投射入大气层，用于校正真实恒星的光，以消除其对我们大气层的干扰。下方照片中的PARLA激光器便由位于智利的欧洲南方天文台用于此类目的。