激光如何工作？

爱因斯坦在一个多世纪前首次预言，激光已经塑造了我们的现代技术格局。但它们是如何工作的呢？

它们存在于杂货店扫描仪、互联网连接和汽车倒车摄像头中。无论您是否意识到，您每天都与激光打交道。这种基于光的技术帮助建立了我们生活的现代、深度互联的世界。但是，激光到底是什么？它们是如何工作的？

“激光”这个词实际上是一个缩写词；它代表“通过受激辐射的光放大”。激光器的工作原理是使高能粒子同步振动或“振荡”，这意味着它们发射的光波的波峰和波谷都对齐。中佛罗里达大学的光子工程师彼得·德尔菲特 (Peter Delfyett) 表示，将一支列队行进的军队与在城镇广场周围闲逛的人群进行比较。 “这就是激光与我们通常习惯的非相干白光的质量。”

当振动同步的原子中的电子达到最高能态时，它们会突然一致回落到低能态，并在此过程中发出特殊形式的光。然后，激光设备通过在两个镜子之间来回反射光线来细化光线，然后再使用。

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“这就是你看到的激光笔发出的实际光，”德尔菲特说。

激光技术背后的基础物理学已经为人所知一个多世纪了。该理论由阿尔伯特·爱因斯坦于 1917 年首次提出。但研究人员花了近四十年的时间才将这些理论想法变为现实。

在激光出现之前，就出现了微波激射器——一种使用微波代替可见光的类似技术。第一个功能性微波激射器于 1954 年由哥伦比亚大学的一组科学家建造。该装置使用高能氨分子束和称为谐振腔的中空外壳来迫使微波一起振荡。然而，它的功率输出很小——只有大约10纳瓦。这比打开典型灯泡所需的电量少了十亿倍以上。相比之下，世界上最强大的激光器可以产生高达 10 拍瓦的功率，大约是太阳功率的十分之一。

为了制造更强大的微波激射器，科学家们开始研究电磁频谱中的不同频率。1960 年，“光学微波激射器”（更广为人知的名称是激光）诞生了。并非所有激光器都在可见光谱下工作，但它们都使用高于微波辐射的频率。

与微波激射器相比，激光器有几个优点。除了由于电磁波长较短而将更多能量装入光束之外，激光器还更容易制造并且更容易精确控制。虽然微波激射器有时仍用于射电望远镜和深空通信等领域，但激光如今更为常见。

“激光是 20 世纪最重要的科技发明之一，”纽约罗切斯特大学纳米光学研究员 Svetlana Lukishova 说。激光现在被用于从眼科手术到蚀刻玻璃，再到实现全球互联网连接的光纤电缆等各个领域。它们甚至在探测时空涟漪（称为引力波）方面发挥了重要作用。 激光干涉仪引力波天文台使用两个相距数千英里的大型激光器来探测时空的结构。

激光技术的未来看起来同样光明。一些研究人员正在探索其对太阳系以外的系外行星进行成像的潜力。德尔菲特和他的实验室正在开展一个小型化激光器项目，使数据中心变得更小、能源效率更高，从而减少温室气体排放。

但德尔菲特相信这项技术可能具有我们从未梦想过的应用。 “激光的使用仅受你自己想象力的限制，”他说。