最强人造光，“激”光是如何诞生的？
“激光”的英文全称是通过受激辐射进行光放大，在中文中是指受激辐射产生的光的放大。激光的“激发”代表受激辐射。
(照片来自新浪微博，作者已经修改了它。)
这里的辐射和我们常说的手机辐射和电脑辐射一样吗？别担心，我们以后再谈。
事实上，我们这些生活在现代社会的人经常接触到激光。例如，在学校，老师在课堂上使用激光笔。在医学上，激光可以用来矫正视觉缺陷。在工业中，我们可以用激光切割钢铁和其他材料。在超市里，销售人员结账时使用的电子扫描枪也使用激光。
激光(https://www.wissenschaft.de/照片)
什么是激光？普通光和激光有什么区别？
激光与普通光完全不同。我们在日常生活中看到的大多数光源都是不相关的光源，比如手电筒的光、太阳的光和灯泡的光。所谓不相干是指从这些光源发出的光具有两个共同的特征，所有这些特征都由不同颜色的光组成，所有这些光看起来都像白光，并且不同颜色的光，甚至是相同颜色的光，具有不同的偏振方向。
具体来说，首先，它们发出的光分布在所有频率上。换句话说，它们由各种颜色组成。这些不同颜色的光被叠加并发射到我们的眼睛里。我们看到的都是白光。第二，这些不同颜色的光，即使是相同颜色的光，也有不同的偏振方向。偏振是指光振动的方向。例如，智能手机屏幕发出的光是偏振的。当我们戴着偏光太阳镜看手机屏幕时，我们只能从一个方向看到屏幕上的内容。当屏幕旋转到某个角度时，屏幕上的内容将完全消失。此时，手机屏幕上光线的偏振方向与太阳镜允许的偏振方向完全垂直，所以我们看不到屏幕上的内容。下图中的情况C。
偏光板产生的偏振光
激光是相反的光。它有很强的相干性，所以只有一个频率。这就是为什么我们看到的激光总是有一种颜色，而且只有一种颜色。除了相干性，激光的另一个重要特征是它的小发散，这就是为什么我们通常看到的激光总是在一条直线上。正因为如此，激光的功率比普通激光高得多。
(图像来源:维尔画廊)
简而言之，激光就像许多人列队行进的方阵。每个人的步伐、速度和方向都是一样的，可控性强，机动性高。普通的光线就像广场上的人群。每个人的速度、速度甚至方向都不一样。它们可控性低，流动性差。
从原子层面理解“光”
但正是因为激光如此特殊，所以不容易产生激光。
那么，我们通常看到的激光是如何发明的呢？
在回答这个问题之前，让我们谈谈光是如何从原子中产生的。为了发光，原子首先需要额外的能量来将它从基态激发到激发态。基态可以理解为基本状态，也就是原子通常所处的能态，就像宿舍的下铺一样，那里的能量最节省。上铺相当于兴奋状态，需要很大的努力才能到达上铺。当我们从上铺跳下来时(实际上是从*上跳下来)，我们在上铺的能量会以振动的形式释放到地板上。
原子能级的基态和激发态(作者自制)
对于原子来说，当它从激发态移动到基态时，释放的能量是电磁辐射，当电磁辐射的频率在可见光范围内时，它就是我们看到的光。当然，大多数原子有不止一个激发态，这些激发态之间存在能量差异。当一个原子从高激发态落到低激发态时，它也会发出电磁辐射。我们日常生活中所谓的手机辐射和电脑辐射实际上是电磁辐射。他们没有什么特别的。它们的辐射功率远远小于太阳光，太阳光是电磁辐射。因此，没有必要非常担心。此外，没有科学证据表明手机或电脑的电磁辐射对人体有害。
在普通光源中，当原子被随机激发到不同的激发态，然后以比激发态更低的能量随机落入激发态或基态时，原子将发射不同频率(即不同颜色)的光，因此混合在一起的光就是我们通常看到的白光。要实现激光，我们必须将大量原子激发到相同的激发态，然后让它们发射出相同频率、相位和偏振方向的光。实现这一目标的关键过程之一是受激辐射。
受激辐射的概念是由爱因斯坦在1917年发表的关于辐射量子理论的论文中首次提出的。这篇论文是激光发展史上的一个重要里程碑。
爱因斯坦为激光的诞生奠定了理论基础
如果你想说这篇论文，你必须从物理学的一场革命开始。1900年，量子力学的创始人普朗克发表了关于能量和辐射频率的重要文章。在这篇文章中，普朗克首次提出了能量量子化的概念。
阿尔伯特·爱因斯坦，20世纪最伟大的物理学家之一(来自https://www.wikiwand.com/en/Albert_Einstein的照片)
能量量化意味着从辐射源辐射的能量不能取任何小的值，并且能量只能是某个最小值的整数倍。普朗克在发表了他的文章之后才意识到它的重要性。他一直认为能量的量子化只是一种权宜之计，将来必须有一些经典理论来解释它。然而，读完他的文章后，爱因斯坦敏锐地意识到这篇文章所传达的重要物理意义，并于1905年写了一篇关于光电效应的文章，首次提出了光量子的概念。1905年，爱因斯坦还发表了一篇关于狭义相对论的文章，将物理学带入了“高速”时代。
著名的狭义相对论的时钟慢效应
在1905年发表了关于光电效应和狭义相对论的文章后，爱因斯坦很快在整个物理学界声名鹊起，但他并没有就此止步。当整个世界仍在适应狭义相对论带来的冲击时，他开始思考广义相对论的问题。从1905年到1915年，爱因斯坦几乎独自建造了广义相对论。1915年发表了一篇关于广义相对论的文章后，他的注意力开始转向物质和辐射之间的相互作用(激光是辐射的一种)。受激辐射的概念是在1917年提出的。
广义相对论指出，大质量天体周围的时空会弯曲，这已被当前的观测所证实(图片来自https://www.space.com/1766theory-general-relativity.html)
在解释受激辐射之前，让我们先提到什么是自发辐射。自发辐射的概念也是由爱因斯坦提出的。他指出，通过发射光子，孤立的受激原子可以返回到比其受激状态更低的能量状态，这个过程就是自发发射。我们在日常生活中看到的荧光是一种典型的自发辐射现象。在提出自发辐射的概念后，爱因斯坦进一步推测光子更喜欢以相同的状态一起传播。对于处于相同激发态的一组原子，它们会随机产生自发辐射。然而，如果一束具有相同频率的光子入射到这组原子上，这些光子将刺激这些原子尽快释放它们自己的光子，并且这些由原子释放的光子将以与入射光子相同的频率和相位在相同的方向上传播。这是受激辐射。
原子自发辐射和受激辐射示意图(原图)
从理论到实践，三个关键人物
在爱因斯坦提出受激辐射的概念后，激光似乎离我们很近，但直到20世纪40年代和50年代物理学家才发现了这一概念的用途。这主要是因为同时使大量原子处于激发态并不容易，因为它们总是会产生自发辐射并离开激发态，更不用说用受激辐射来激发它们了。
实现激光应用的关键人物是查尔斯·汤斯。查尔斯·汤斯在第二次世界大战期间从事雷达系统的研究。战争结束后，他将注意力转向分子光谱学，主要研究分子对光的吸收。分子光谱学用光子轰击分子的表面，并分析散射的辐射来确定分子的结构。
查尔斯·汤恩斯(1915年7月28日-2015年1月27日)，激光发明的先驱(照片:https://en.wikipedia.org/wiki/Charles_H._Townes)
1951年4月26日，当托马斯在华盛顿的一个公园散步时，他突然有了一个灵感，他可以利用受激辐射原理产生高强度微波束来研究分子。在这一想法的指导下，他于1953年在哥伦比亚大学制造了第一个微波激射器(通过受激辐射进行微波放大)，也被称为微波激射器。查尔斯·汤斯因发明了微波激射器而获得了1964年诺贝尔物理学奖。自从微波激射器发明以来，我们离激光的诞生只有一步之遥(微波激射器和激光只有一个字母的距离)。
查尔斯·汤斯和他的马泽。(https://www.independent.co.uk/news/people照片)
1958年，查尔斯·汤斯和他的妹夫亚瑟·l·舒劳意识到，只有对微波激射器稍加修改，就能在可见光范围内产生受激辐射。他们建议在原型微波激射器的每一端安装一个反射器，然后注入特定波长的光子。这些光子将从反射器反射，并来回穿过介质。这些光子将不断激发原子产生受激辐射，从而在相同的波长发射更多的光子。后来，这两个人写了一篇论文，详述了他们的概念，并发表在《物理评论》上。两年后，1960年，休斯飞机公司的西奥多·麦曼制造了第一台红宝石激光器。从那以后，人类打开了激光时代的大门。
西奥多·迈曼(1927年7月11日-2007年5月5日)和他的红宝石激光器(照片来自https://en.wikipedia.org/wiki/Theodore_Maiman)