激光是如何被研制出来的？又是如何改变世界的？

有关激光的理论最早由爱因斯坦于1917年提出。激光是由原子受激辐射出来的光。当原子从高能级跃迁到低能级会释放能量，就以光的形式辐射出来。普通光源就源于原子的自发辐射。相对于普通光源，激光单色性好、亮度高、方向性好。

激光存在的理论虽然提出来了，但是实现却很困难。主要原因是，原子同时存在受激辐射和受激吸收两个过程，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。要想产生激光，必须使受激辐射强于受激吸收。即让处在高能级的粒子数大于处在低能级的粒子数，这被称之为粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。

在爱因斯坦提出激光理论的40多年之后，美国物理学家查尔斯·汤斯终于解决了激光的技术应用难题，提出了用微波激发氨分子产生激光的设想，并在1958年与美国科学家肖洛共同发现了如何产生激光的原理。

他们发现物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光--激光。

时间来到了1960年，这一年，美国科学家西奥多·梅勒成功制造了世界上第一台激光器——红宝石激光器。同年，前苏联科学家尼古拉·巴索夫发明了半导体激光器。现在生活中常见的激光，都是由半导体激光器产生的。

激光是20世纪人类值得骄傲的重大发明之一，它是迄今性能最为优越的光源。自从20世纪60年代初激光被发明以来，迅速被应用于工业、军事、通信、医学、科研等各领域，给传统工业和经典技术以巨大冲击，产生大批高新工业和新的学科，影响了人类生活的方方面面。

激光是理论先于实践的典型代表。早在1916年，爱因斯坦在研究光和物质的相互作用时，就奠定了激光的理论基础。他提出激光的产生与原子的结构有关。在原子内部，存在原子核和核外电子，电子离原子核的距离越远，所具有的能量越高，这时我们称电子处于较高的能级。处于较高能级的电子可以自动“跳跃”到较低的能级，同时释放出特定频率的光子（光子的能量等于两个能级的能量差），称为自发辐射。如果有光子照射进原子，当光子能量正好等于电子高低能级的能量差时，处于高能级的电子将在入射光子影响下向低能级跃迁，同时发出一个与入射光子频率相同的光子出来，称为受激辐射。

自发辐射是随机过程，处于高能级的原子发射光子的时间是随机的，发出的光的相位、偏振、传播方向等参数是随机的，光子之间没有确定的联系,这正是大多数自然光源所处的状态。而受激辐射发出的光子的物理参数都与外来的光子相同，是近乎完美的光。我们可以这样类比，当外国侵略者入侵时，自发起来反抗入侵的游击队的武器、服装、人员组成都是杂乱无章的；而政府为应对入侵而正式征集的军队，其武器、服装和人员组成都非常统一。

虽然理论上预言了可以有受激辐射这样近乎完美的光，如何实现它却困扰了物理学家40多年，有人甚至一度认为这是不可能的。为什么会这样呢？

当光射入物质时，原子中处于低能级的电子会吸收光子，叫作受激吸收。在正常情况下，处于较高能级的电子数量远少于处于较低能级的电子数量，原子处于这样的状态才比较稳定。因此受激吸收总是强于受激辐射，从自然状态来看，光是被吸收的。要产生较强的受激辐射，必须想办法让处于高能级的电子多于处于低能级的电子，叫作粒子数反转。可如何才能实现它，大家都一筹莫展。

直到1951年，苦思多年的美国物理学家汤斯一天早晨等候买早餐时，才突然认识到，用热或电的方法，把能量泵入氨分子中，可以让它们处于激发状态，就可以用微波诱导它们发射出很强的“受激微波”，他立刻把这个想法记录在一个用过的信封背面。回到实验室，他把氨分子放在谐振腔内，利用振荡和反馈放大产生出来的受激辐射，于两年后成功实现了“受激辐射微波放大”（简称为微波激射）。几年之后，光学波段的受激辐射光源也被研制出来了。

同样，在光学波段，物理学家使用了其他物质来实现粒子数反转，比如氦—氖气体、二氧化碳气体、红宝石等。在这些物质中，通常存在三个或四个能级，包括一个基态和多个激发态，其中一个激发态很稳定，电子等粒子在这个能级上能停留较长时间，叫亚稳态。其他能级更高的激发态不稳定，粒子只能停留很短时间。在外界电源或者光源激励下，处于基态的粒子被抽运到较高的能级中，短暂停留后，粒子转移到亚稳态上，在这个能级上逐渐积累了大量粒子，比基态的粒子数还多，从而实现了粒子数反转。

如果现在有光子进入，当光子的频率为特定值时，它能引起亚稳态的大量粒子同时向基态跃迁，产生大量频率、相位、偏振态相同的光子，这就是受激辐射。

仅仅实现粒子数反转，还不足以制造出激光器。因为激光器的工作物质内原子自发辐射的初始光信号是杂乱无章的，在这些光信号的激励下得到的放大的受激辐射同样是随机的。为了得到方向单一、单色性很好的受激辐射，必须在工作物质两端放置相互平行的反射面，形成光学谐振腔。光线在两镜间来回反射，其中方向与镜面不垂直的光线逐渐被反射出去，只留下垂直于镜面的受激辐射光，这就是激光光束方向性很好的原因。光在谐振腔内来回反射过程中，工作介质使光线增强，从而形成强度很高的激光。

美国科学家梅曼利用改进的干涉谐振腔，采用红宝石作为工作物质，利用高强闪光灯光管来激发红宝石，于1960年5月获得了波长为694.3纳米的激光，此时距离爱因斯坦提出激光理论已经40多年了。

激光是如何工作的？

激光的日常用途有很多，从牙科和纹身消除到印刷和CD播放机（划重点，要考）。它们也经常出现在科幻电影中，就像星球大战中着名的光剑一样。

然而，激光不是普通的光。它们都是单色和连续的，这些特殊的属性让我们能够用独特的方式使用它们，这是常规手电筒或灯泡所不可能实现的。

那么激光到底是什么呢？它们是如何工作的？让我们来看看激光如何帮助我们纠正我们的视力，以及为什么我宁愿用光剑而不是用手电筒来打架。

原子的结构

为了了解激光是如何工作的，我们首先要看一下原子。我们每天与之互动的一切 - 你坐的椅子，你呼吸的空气，甚至我们的身体 - 都是由被称为原子的小颗粒组成的。如我们所熟知的元素周期表中所示，仅存在约100种不同的原子。不同的材料由这些元素的不同组合而构成。

每个原子包含一个原子核（由质子和中子组成）和不断绕原子核运动的电子。原子具有一个最低级能量状态，一个不需要任何额外的能量来维持的状态，即基态，其中的电子轨道最接近原子核。这些电子也可以被碰撞或被刺激跳跃到更高的能级轨道，从而认为原子此时处于“激发”的能量状态，即激发态。

因为量子力学的运用，我们现在知道原子的这种观点有点简化，并且电子实际上不可能在离散的，明确定义的轨道中行进。然而，这样的设想仍然是一个有用的描述，将用于像电子这样的微粒物理学，与我们每天经历的物理定律联系起来。为了将电子激发到更高能量的状态，所需要的只是能量，通常是光或热的形式。

当所有电子决定再次放松时，当原子以光子或光波的形式释放能量时，它们就可以回到低级能量的状态。电子的起始和终止轨道之间的能量差决定了被释放的光子的能量，而光子的能量又决定了发射光的波长或颜色。

什么是激光以及它是如何工作的？

您可能还记得来自语法中“激光”这个词实际上是一个缩写词。它代表由激辐射的光放大（用英语读），这是不是很饶舌？

所有这一切中的关键词都是“刺激的”。这就是激光与普通光的形式的区别。例如，当您打开普通手电筒时，光线会向所有方向离开，并在随机时间点亮，产生的光是漫射的（或展开的）并且是相对较弱的。

另一方面，激光是“连贯的”，意味着所有光子一致地并且在一个方向上离开，这种有序的射出产生了更窄，更强烈的光束。那么如何让光子遵循这样严格的行动命令呢？

让我们回到对原子的描述中去。当电子从激发能态移回低能级状态时，会释放出具有特定能量的光子，产生光子的能量等于两个能级之间的能量差（即原子的基态和激发态之间的能级差）。

如果释放的光子遇到处于相同激发态的另一个电子，它可以通过发射具有相同能量（颜色）和相位（相对位置）的光子来触发第二能级的电子也跳回到基态。如果有足够的电子处于激发态，则第一个光子的发射可以从受激发射的链式反应开始。当电子向下跃迁到它们的低级能量状态时会发射更多的光子，并且那些新发射的光子反过来刺激更多光子的发射。所有这些发射光具有相同的能量，因此具有相同的波长，单一波长或颜色的光称为单色。

这种连锁反应实际上是激光器的工作方式。原子被“泵浦”或大量的电子通常被迫进入比基态高2-3级的能级，这种泵浦通过强大的闪光或电脉冲完成。一旦发射出第一个光子，激光器另外还有两个反射镜，用于在激光介质（也就是带有所有激发电子的原子）上来回反射激光。具有恰当能量的发射光子通过泵浦原子返回，这些光子就会反过来刺激更多光子的发射。

这简直就是一个光子派对啊！

激光的聚焦特性使其成为精确，锐利线条时切割所需要的理想工具。这个要求经常在与人体打交道时发挥作用，无论是为了更好的视力而切割我们的角膜，重塑牙齿，还是消除纹身。

然而，我在激光中看到的最酷的用途之一就是天文学。当天文学家通过他们的望远镜观察到像星星这样的遥远物体时，我们观察到的光在穿过地球湍流和凌乱的大气层时会变形。有时很难破译图像中恒星的存在是否失真，或者它是否只是一个应该被减去的观看效果。

图解：这张图中的蓝色恒星是所谓的蓝掉队星，它们是出现在赫罗图上的左上角。

解决这个问题的一种方法就是自适应光学技术：天文学家在观察他们感兴趣的物体的同时观察到一颗非常明亮的物体（通常是附近的恒星），由于他们已经知道了比较对象所期望的图像，因此他们会查看他们实际观察到的图像，然后模拟大气层正在做什么。然后使用该大气模型实时调整望远镜的光学系统，方便在观察目标时平衡大气的影响。

然而，并不总是有一个很好的，明亮的比较对象靠近你想要观察的东西。当发生这种情况时，天文学家可以通过向天空射击激光来制造自己的恒星！这些男人（或女人）制造的明星被称为激光导星，可以瞄准任何需要的地方。

这一集的灵感来自皮尤研究中心网站上一个有趣的科学和技术测验，除去性别和年龄组，你可以看到你的结果如何与其他测验者直接比较。关于激光的第二个问题是最有可能被错误回答的问题！你肯定很好奇这一问题，那么最经常被回答错误的问题是哪种气体构成了地球大部分的大气层。大多数人认为它是氧气，但它实际上是氮气。

近期激光领域的相关进展

一、实现最宽光谱暗孤子脉冲输出

超短脉冲光纤激光器具有易操作、结构紧凑、性能稳定、成本低等特点，被广泛应用于高速光通信、光传感、光频梳、激光雷达、光谱分析、军事等相关领域，是目前光电子领域的研究热点之一。

北京邮电大学理学院刘文军、雷鸣等青年教师针对暗孤子脉冲产生技术的限制，理论分析了暗孤子脉冲产生的动力学行为，实验上实现了最宽光谱暗孤子脉冲输出。

基于非线性Schrodinger方程和复Ginzburg-Landau方程，通过改变光纤的非线性参数研究了暗孤子脉冲在光纤激光器中的传输特性，从理论上提出了减弱暗孤子脉冲相互作用的方法，在实验上实现了光纤激光器中暗孤子脉冲的稳定输出。

经理论计算，进一步优化了光纤激光器腔内色散与非线性参数，成功研制出最宽光谱暗孤子脉冲光纤激光器，并且通过拉锥光纤与可饱和吸收材料的协同优化，实现了最短脉宽为67 fs的混合锁模光纤激光输出。

该课题组还将之用于全光纤激光锁模，进一步实现了脉宽246 fs的锁模脉冲激光输出。据知这是迄今为止过渡金属硫化物全光纤锁模激光器所产生的最短脉宽报道。

二、微型紫外波段飞秒脉冲三倍频器效率提升三倍

华沙大学的研究人员已经研制了一种转换效率超过30％的微型三倍频器，通过级联二阶倍频器使得单束激光聚焦，以产生246fs的紫外脉冲。通过对非线性和双折射介质中聚焦的宽带光场的传播过程进行三维建模，就能够实现这种超小型高效变频器的设计。

虽然先进的激光技术已经能够覆盖更宽的光谱区域，但是大约300nm的紫外波段激光仍然难以实现，特别是制造高强度的短脉冲紫外激光更是难上加难。

通常，科学家通过非线性的变频器，将近红外激光脉冲转换成紫外激光脉冲。但是变频器的调整极其复杂，而且其转换效率只有10％左右。

华沙大学研制的微型紫外波段飞秒脉冲三倍频器使得深紫外波段激光的制造成为可能。

三、激光单色性创新世界纪录

德国和美国科学家联合创造出了谱线宽度仅10毫赫兹（1毫赫兹为0.001赫兹）的激光，创下激光单色性的新世界纪录。

德国联邦物理技术研究院发布的新闻公报说，这是迄今离理想单色性最近的激光，用它测量原子频率可以让光子钟更加精确，还有助于光谱学和射电天文学研究等。

普通激光的线宽通常为几千赫兹到几百万赫兹，不适合精度要求特别高的实验。德国联邦物理技术研究所和美国实验天体物理联合研究所的科学家合作创造出两束波长约1.5微米的激光，对比印证显示其线宽为10毫赫兹。

这两束激光非常稳定，组成激光的所有光波都非常相似、振荡步调高度一致，能在每秒振荡194万亿次的情况下维持同步至少11秒。在这段时间里，该激光可以传播330万千米，相当于地球到月球距离的将近10倍。

四、具有最低窄线宽的片上激光器二极管

来自荷兰特温特大学MESA +纳米技术与芯片制造公司LioniX International的研究人员表示，已经开发出了世界上具有最低窄线宽的片上激光器二极管。

该可调谐磷化铟/氮化硅（InP-Si3N4）混合光子集成激光器具有290Hz的固有激光线宽以及81nm的光谱覆盖范围。

特温特大学团队负责人Klaus Boller指出，该激光器比任何其他片上激光器相干性高十倍（窄线宽低十倍）。

研究人员表示，新的激光器将带来一系列广泛应用，包括控制5G移动互联网的手机线杆上的可移动天线，更快的光纤数据传输，以及更准确的GPS系统和用于监测建筑物和桥梁结构完整性的传感器等。

五、集成化100kHz窄线宽激光光源

近日，福建物构所承担的国家863计划信息技术领域课题“集成化100kHz窄线宽激光光源”（课题编号：2013AA014202）通过科技部高技术研究发展中心组织的专家验收。

该课题面向400Gb/s高速相干光通信系统对窄线宽激光器的特殊需求，开展了半导体增益材料生长激光增益芯片制备、光纤光栅设计和半导体激光器结构封装等方面的研究，研制出国产化基于双段式增益芯片的FBG外腔式窄线宽半导体激光器，实现了小型集成化、低功耗、低成本、高度稳定的窄线宽激光输出。

六、储存环自由电子激光

中国科学院上海应用物理研究所研究人员近日提出了一种基于储存环光源产生高亮度、全相干辐射光的新机制。研究表明，这种运行机制能够充分利用储存环电子束的特点，通过较简单的装置改造就能实现飞秒量级高峰值亮度X射线脉冲的产生，从而大幅增强储存环光源的性能。

基于储存环的第三代同步辐射光源已经成为支撑物理、化学、材料、医学、生命科学等学科开展基础和应用研究的一种最主要的大科学平台。

第三代同步辐射光源具有平均亮度高、脉冲能量稳定和同时支持多用户运行等诸多优点。然而，受原理限制它也同时存在着峰值亮度较低、脉冲长度较长和纵向没有相干性等缺点。

为克服储存环光源的这些缺点，人们正在发展X射线自由电子激光。与此同时，近些年随着衍射极限储存环光源的发展，人们开始探索基于储存环产生全相干自由电子激光的可行性，并提出了一些新的方案。

七、硅基纳米激光器和光放大器

清华大学电子系“千人计划”专家宁存政教授长期研究半导体发光物理、纳米光子学、器件极端微型化制作及表征，曾在世界上首次制成尺寸小于半波长的电注入纳米激光器，并首次实现了电注入金属腔纳米激光器的室温连续模运转，是纳米激光技术领域的开拓型领军人物。

宁存政教授课题组一直致力于微纳光电子材料器件的物理及应用研究，不断突破激光器和光放大器尺寸小型化极限，为光电集成及其在未来计算机芯片上的应用进行前沿探索。十多年来，课题组专注开发纳米激光器和具有高光学增益的光放大器新材料，最近同时在这两方面取得重大突破。

以上两项研究的另一重大意义在于硅基光电子集成和未来计算机芯片。众所周知，硅材料是目前微电子技术包括计算机芯片的基础，也是未来光电集成的极可能的基底材料。

但由于硅是一个效率极低的发光材料，所以未来光电集成芯片中需要以某种方式将其它发光材料与硅衬底集成。而这种集成也是近几十年来光电集成中悬而未决的难题。

通常做法是将发光效率高的III-V族化合物半导体与硅粘合在一起。与此相比，二维材料或是纳米线结构不会由于应力或晶格失配引起任何损伤或性能降低，为未来硅基光电集成提供了一个新的思路。