10月2日，瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)將授予美國(guó)科學(xué)家亞瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）、法國(guó)科學(xué)家杰哈·莫羅（Gerard Mourou）以及加拿大女性科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland），以表彰他們在激光物理學(xué)領(lǐng)域的奠基性工作。

實(shí)際上，2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)其中一半授予亞瑟·阿斯金（Arthur Ashkin），以表彰他用于光學(xué)鑷子及其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用。另一半授予杰哈·莫羅（Gerard Mourou）和唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland），以表彰他們生成高強(qiáng)度，超短光脈沖的方法。

雖然此次諾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了兩個(gè)成果，但這兩組成果均屬于光學(xué)領(lǐng)域，并且都是激光的應(yīng)用。

其實(shí)對(duì)于激光，大家并不陌生，由于其高定向性、單色性、高能量、高亮度、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，它在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、美容、娛樂等諸多領(lǐng)域均有著重要的作用，如激光探測(cè)、激光切割、激光打印機(jī)、投影儀、激光筆、用激光做手術(shù)等等，可以說(shuō)是遍布了生活的各個(gè)角落。

今年的諾獎(jiǎng)獲得者的主要科學(xué)貢獻(xiàn)便是在生物醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域激光應(yīng)用的重大突破，從此次的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的頒發(fā)可見激光對(duì)于人類的意義非同小可。

那么，激光是如何產(chǎn)生的呢？為了弄清這個(gè)問題，我們首先了解光是如何產(chǎn)生的。

根據(jù)量子力學(xué)理論，原子中的電子可以處在不同的能級(jí)（高能級(jí)意味著能量大，低能級(jí)意味著能量?。?dāng)電子由高能級(jí)跳到低能級(jí)的時(shí)候（這里叫能級(jí)躍遷），要釋放能量，釋放的能量以光子的形式發(fā)射出來(lái)，從而形成我們宏觀上看到的光。光子的能量E=hv，其中h表示普朗克常量，ν是光的頻率，紅橙黃綠青藍(lán)紫的光子頻率依次升高，這意味著能量不同的光子對(duì)應(yīng)著不同顏色的光。

能級(jí)躍遷（電子從高能級(jí)E₂躍遷到低能級(jí)E₁釋放出能量為hν的光子）

在實(shí)際的材料中，既有處于高能級(jí)狀態(tài)的原子，也有處于低能級(jí)的原子。處在高能級(jí)的原子是不穩(wěn)定的，有一定概率自發(fā)躍遷到低能級(jí)狀態(tài)，從而釋放出光子（這就像是我們?cè)谄马旘T自行車一樣，不需要踩就下去了），而處在低能級(jí)的原子則會(huì)吸收能量，從而躍遷到更高的能級(jí)（就像我們騎車上坡一樣）。

當(dāng)一種材料中大部分原子都處于高能級(jí)狀態(tài)的時(shí)候，那么整個(gè)材料中會(huì)有大量的電子躍遷至低能級(jí)，釋放大量的光子，此時(shí)我們會(huì)看到這個(gè)物質(zhì)會(huì)發(fā)光（如燒紅的鐵塊），這個(gè)叫做自發(fā)輻射。

1917年，愛因斯坦指出：除自發(fā)輻射外，處于高能級(jí)E₂上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級(jí)。他提出當(dāng)頻率為ν=（E₂-E₁）/h的光子入射時(shí)，也會(huì)引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級(jí)E₂（高能級(jí)）躍遷到能級(jí)E₁（低能級(jí)），同時(shí)輻射一個(gè)與外來(lái)光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個(gè)過程稱為受激輻射。

從愛因斯坦的理論中可以想象，倘若一個(gè)物質(zhì)有大量的粒子處于高能級(jí)E₂狀態(tài)，當(dāng)它受到ν=（E₂-E₁）/h的光子入射時(shí)，一個(gè)粒子受到激發(fā)，產(chǎn)生與入射光子屬性相同的光子，這兩個(gè)光子又去激發(fā)其它處于E₂狀態(tài)的粒子，產(chǎn)生四個(gè)屬性相同的光子，如此循環(huán)，物質(zhì)受到激發(fā)而發(fā)出的光就會(huì)被不斷地放大，這種在受激輻射下產(chǎn)生的放大的光就是激光。

激光的英文名是Laser，這個(gè)名字其實(shí)是5個(gè)英文單詞的縮寫，即LightAmplification byStimulatedEmission ofRadiation，其中文意思即為受激輻射光放大。

但是，激光并非如此簡(jiǎn)單就能產(chǎn)生。

在自然界的物質(zhì)中，由于基本都處于熱平衡態(tài)（物體的統(tǒng)計(jì)狀態(tài)不隨時(shí)間變化），而平衡態(tài)物質(zhì)中低能級(jí)的原子數(shù)總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)多余高能級(jí)的原子數(shù)，這就導(dǎo)致當(dāng)物質(zhì)受到光源刺激時(shí)絕大部分的能量被吸收了，所以原子輻射出來(lái)的光遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于被吸收的部分。

為了使得大部分原子處于高能級(jí)狀態(tài)，我們需要人工施加能量地將它們激活，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)能級(jí)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后的物質(zhì)成為激活物質(zhì)。當(dāng)激勵(lì)光源通過激活物質(zhì)時(shí)，大量的原子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)并釋放出光子，這使得光的強(qiáng)度大大增加。

光增強(qiáng)了還不夠，因?yàn)槌跏驾椛涑鰜?lái)的光是有很多方向的，而我們需要的是方向集中的高強(qiáng)度的激光。

這時(shí)候就需要添加相應(yīng)的反射鏡構(gòu)成光學(xué)諧振腔，在這個(gè)腔體內(nèi)激活物質(zhì)輻射出來(lái)的光被來(lái)回反射，再循環(huán)地刺激激活物質(zhì)本身，從而使得光的強(qiáng)度不斷增加，最后形成強(qiáng)光束從某一部分反射鏡輸出，也就成為了我們需要的激光了。

通過調(diào)節(jié)出射光子的能量，我們可以獲得不同顏色的激光。

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