從牙醫(yī)的辦公室到科幻電影，到處都在使用激光。但是它們是怎樣運(yùn)作的？為什么激光不同于普通的手電筒？

激光是如何工作的？

激光的日常用途有很多，從牙科和紋身消除到印刷和CD播放機(jī)（劃重點(diǎn)，要考）。它們也經(jīng)常出現(xiàn)在科幻電影中，就像星球大戰(zhàn)中著名的光劍一樣。

然而，激光不是普通的光。它們都是單色和連續(xù)的，這些特殊的屬性讓我們能夠用獨(dú)特的方式使用它們，這是常規(guī)手電筒或燈泡所不可能實(shí)現(xiàn)的。

那么激光到底是什么呢？ 它們是如何工作的？ 讓我們來看看激光如何幫助我們糾正我們的視力，以及為什么我寧愿用光劍而不是用手電筒來打架。

原子的結(jié)構(gòu)

為了了解激光是如何工作的，我們首先要看一下原子。我們每天與之互動(dòng)的一切 – 你坐的椅子，你呼吸的空氣，甚至我們的身體 – 都是由被稱為原子的小顆粒組成的。如我們所熟知的元素周期表中所示，僅存在約100種不同的原子。不同的材料由這些元素的不同組合而構(gòu)成。

每個(gè)原子包含一個(gè)原子核（由質(zhì)子和中子組成）和不斷繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子。原子具有一個(gè)最低級(jí)能量狀態(tài)，一個(gè)不需要任何額外的能量來維持的狀態(tài)，即基態(tài)，其中的電子軌道最接近原子核。這些電子也可以被碰撞或被刺激跳躍到更高的能級(jí)軌道，從而認(rèn)為原子此時(shí)處于激發(fā)的能量狀態(tài)，即激發(fā)態(tài)。

因?yàn)榱孔恿W(xué)的運(yùn)用，我們現(xiàn)在知道原子的這種觀點(diǎn)有點(diǎn)簡化，并且電子實(shí)際上不可能在離散的，明確定義的軌道中行進(jìn)。然而，這樣的設(shè)想仍然是一個(gè)有用的描述，將用于像電子這樣的微粒物理學(xué)，與我們每天經(jīng)歷的物理定律聯(lián)系起來。為了將電子激發(fā)到更高能量的狀態(tài)，所需要的只是能量，通常是光或熱的形式。

當(dāng)所有電子決定再次放松時(shí)，當(dāng)原子以光子或光波的形式釋放能量時(shí)，它們就可以回到低級(jí)能量的狀態(tài)。電子的起始和終止軌道之間的能量差決定了被釋放的光子的能量，而光子的能量又決定了發(fā)射光的波長或顏色。

什么是激光以及它是如何工作的？

您可能還記得來自語法中激光這個(gè)詞實(shí)際上是一個(gè)縮寫詞。它代表由激輻射的光放大（用英語讀），這是不是很饒舌？

所有這一切中的關(guān)鍵詞都是刺激的。這就是激光與普通光的形式的區(qū)別。例如，當(dāng)您打開普通手電筒時(shí)，光線會(huì)向所有方向離開，并在隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)亮，產(chǎn)生的光是漫射的（或展開的）并且是相對(duì)較弱的。

另一方面，激光是連貫的，意味著所有光子一致地并且在一個(gè)方向上離開，這種有序的射出產(chǎn)生了更窄，更強(qiáng)烈的光束。那么如何讓光子遵循這樣嚴(yán)格的行動(dòng)命令呢？

讓我們回到對(duì)原子的描述中去。當(dāng)電子從激發(fā)能態(tài)移回低能級(jí)狀態(tài)時(shí)，會(huì)釋放出具有特定能量的光子，產(chǎn)生光子的能量等于兩個(gè)能級(jí)之間的能量差（即原子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能級(jí)差）。

如果釋放的光子遇到處于相同激發(fā)態(tài)的另一個(gè)電子，它可以通過發(fā)射具有相同能量（顏色）和相位（相對(duì)位置）的光子來觸發(fā)第二能級(jí)的電子也跳回到基態(tài)。如果有足夠的電子處于激發(fā)態(tài)，則第一個(gè)光子的發(fā)射可以從受激發(fā)射的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)開始。當(dāng)電子向下躍遷到它們的低級(jí)能量狀態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)射更多的光子，并且那些新發(fā)射的光子反過來刺激更多光子的發(fā)射。所有這些發(fā)射光具有相同的能量，因此具有相同的波長，單一波長或顏色的光稱為單色。

這種連鎖反應(yīng)實(shí)際上是激光器的工作方式。原子被泵浦或大量的電子通常被迫進(jìn)入比基態(tài)高2-3級(jí)的能級(jí)，這種泵浦通過強(qiáng)大的閃光或電脈沖完成。一旦發(fā)射出第一個(gè)光子，激光器另外還有兩個(gè)反射鏡，用于在激光介質(zhì)（也就是帶有所有激發(fā)電子的原子）上來回反射激光。具有恰當(dāng)能量的發(fā)射光子通過泵浦原子返回，這些光子就會(huì)反過來刺激更多光子的發(fā)射。

這簡直就是一個(gè)光子派對(duì)啊！

激光的聚焦特性使其成為精確，銳利線條時(shí)切割所需要的理想工具。這個(gè)要求經(jīng)常在與人體打交道時(shí)發(fā)揮作用，無論是為了更好的視力而切割我們的角膜，重塑牙齒，還是消除紋身。

然而，我在激光中看到的最酷的用途之一就是天文學(xué)。當(dāng)天文學(xué)家通過他們的望遠(yuǎn)鏡觀察到像星星這樣的遙遠(yuǎn)物體時(shí)，我們觀察到的光在穿過地球湍流和凌亂的大氣層時(shí)會(huì)變形。有時(shí)很難破譯圖像中恒星的存在是否失真，或者它是否只是一個(gè)應(yīng)該被減去的觀看效果。

圖解：這張圖中的藍(lán)色恒星是所謂的藍(lán)掉隊(duì)星，它們是出現(xiàn)在赫羅圖上的左上角。

解決這個(gè)問題的一種方法就是自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)：天文學(xué)家在觀察他們感興趣的物體的同時(shí)觀察到一顆非常明亮的物體（通常是附近的恒星），由于他們已經(jīng)知道了比較對(duì)象所期望的圖像，因此他們會(huì)查看他們實(shí)際觀察到的圖像，然后模擬大氣層正在做什么。然后使用該大氣模型實(shí)時(shí)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)，方便在觀察目標(biāo)時(shí)平衡大氣的影響。

然而，并不總是有一個(gè)很好的，明亮的比較對(duì)象靠近你想要觀察的東西。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，天文學(xué)家可以通過向天空射擊激光來制造自己的恒星！這些男人（或女人）制造的明星被稱為激光導(dǎo)星，可以瞄準(zhǔn)任何需要的地方。

這一集的靈感來自皮尤研究中心網(wǎng)站上一個(gè)有趣的科學(xué)和技術(shù)測驗(yàn)，除去性別和年齡組，你可以看到你的結(jié)果如何與其他測驗(yàn)者直接比較。關(guān)于激光的第二個(gè)問題是最有可能被錯(cuò)誤回答的問題！你肯定很好奇這一問題，那么最經(jīng)常被回答錯(cuò)誤的問題是哪種氣體構(gòu)成了地球大部分的大氣層。大多數(shù)人認(rèn)為它是氧氣，但它實(shí)際上是氮?dú)狻?/p>

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

3. Sabrina Stierwalt- quickanddirtytips-落花時(shí)節(jié)

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