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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） [:1701074926]
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） 2 揭秘神奇的光：激光
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一分钟简介
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本章我将为读者介绍激光的基本原理。通过动手拆开一台氦氖激光器和一只激光笔，我们能够生动地看到神奇的激光是怎样产生的。我们将介绍激光光源的特性，为以后其他的相关制作做铺垫，还将谈及激光器的一些最新发展，以及在大自然中意想不到的地方存在的有趣的激光源。
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闲话基本原理
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本章基本原理比较长，请耐心细读
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1968年1月20日，美国宇航局（NASA）发射的最后一艘无人探月太空船Surveyor 7号将携带的电视摄像机指向了地球。此时美洲处于黑夜中，整个地球就像一弯月牙，挂在漆黑的宇宙背景中。然而在太空船的摄像机里，黑漆漆的美洲大陆上却出现了两个亮点（见图2.1），这是UFO吗？还是消耗着百万千瓦的城市灯火？都不是。这两个点，一个是来自美国亚利桑那州Kitt Peak天文台，另一个是来自美国加州的天文台。它们是由两个几年前发明的激光器所产生的激光光源，功率只有2W。从30万公里之外的月球上看，灯火通明的城市已经暗淡无光，然而一只产生2W强度的光源却依然清晰，这就是神奇的激光。
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图2.1 Surveyor 7号登月太空船拍摄的地球照片。注意左侧的两个亮点，那里是美国的西南部。经过长距离地传播以及地球大气的扰动，激光看起来变成了两个很大的光斑。（照片由美国NASA Jet Propulsion Laboratory提供）
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激光的英文名称叫作laser，原来是“Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation”的缩写，即“通过受激辐射产生的光放大装置”，而如今Laser已经作为一个独立的单词被广泛应用了。20世纪80年代之前，激光或许还是科研人员和“骨灰级”发烧友才能玩得起的东西，而从20世纪90年代开始，大量廉价的红色半导体激光器出现在市场上，激光开始进入寻常百姓家。在本书中，我们将利用这种廉价的激光器来进行几个有趣的实验和制作，在这一章里，我们首先来了解一下激光的故事。
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我们对激光最直接的感受是它的颜色非常纯，光线非常集中。夜幕下，一支小小的激光笔发出的光，照射到几百米外的建筑物上依然是一个明亮的小点。这两点正好体现了激光与普通手电筒之类光源的区别。颜色单纯表明激光所含频率非常单一，光线集中表明激光的方向性很好。我们之所以能在月球上还能看到地球上的激光，就是它的方向性好的极佳体现。虽然只有2W的功率，但是这2W的光线非常“团结一致，携手并进”。直到30万千米之外，它们仍然“不离不弃”，这样从月球上看起来就非常明亮了。激光为什么会有这样的特点呢？这得从激光的构造说起。
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一台典型的激光器的构造可以用图2.2表示。
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图2.2 激光器的构造
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激光器与一般光源最明显的区别就是它有两面反射镜，如图2.2所示，左边是一块略微透光的反射镜，右边是一块几乎完全不透光的反射镜（俗话说，世上没有不透光的镜子，所以只是“几乎完全不透光”）。激光从左边那个略微透光的镜子中射出，而在两面镜子之间是产生激光的发光物质。在这里，要先向非物理专业的读者致歉，因为我必须要聊一聊物质发光的量子理论，这对于大家理解激光，以及更多自然界的现象都是非常有帮助的。
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在20世纪初期，人们从观察物质发光的光谱中，总结出了一套描述微观粒子运动的理论，称作“量子理论”。这个理论认为，光是像颗粒一样，一粒一粒（称作“光子”）以波动的形式传播的。这句话听起来很拗口，但是光就是这么一个拗脾气，这就是所谓的“波粒二相性”。大家暂时不理解也不要紧，因为据大师费曼断言，世界上没有人懂得微观粒子为什么会这样[1]。我们还可以很安全地认为光是电磁波，一个光子就是一束微弱的电磁波。而平时我们看到的光，则是很多很多个光子组成的较强的电磁波。量子理论还认为，电子在原子内部有一些分立的“能级”，也就是说在原子内部电子的排列不是随心所欲的，而是有森严的等级制度的，越高级别的电子拥有越大的能量。当一个身处高能级的电子跳跃到低能级时，根据能量守恒定律，就会有一些能量释放出来，化身为一个“光子”，这个发光的过程见图2.3，物理学家称之为“自发辐射”。
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图2.3 发光的过程
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很容易理解，当一个电子处于低能级时，则也可以吸收一个能量为E1－E2的光子，跳到高能级去，如图2.4所示，这个过程叫作“激发”。当然，如果这个电子在高能级“待腻”了，也可以跳回来，放出一个E1－E2的光子。
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图2.4 吸收光的过程
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故事还没有结束，爱因斯坦先生认识到，发光的过程应该还有一种情况，那就是当一个处于高能级的电子，如果恰好碰到一个能量为E1－E2的光子，它会“随大溜儿”地跳到低能级，并且发射出一个和外来光子一模一样的光子来。所谓一模一样，并不单单指能量一样，因为光子是一束微弱的电磁波，既然是波动，就还有频率、相位以及前一章提到的偏振态。量子理论中，光子的能量=常数[2]×频率，能量一样的光子，频率自然就一样了，这没有什么值得稀奇的。但是相位和偏振态也一样就不简单了。这说明电子发出的电磁波（光子）与刺激电磁波（光子）的电磁场振动完全同步，而且振动方向也一样，如图2.5所示。物理学家称这种发光过程为“受激辐射”。
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