87 自然界并不天然存在的光：激光

激光在我们的日常生活中已经非常普遍了。激光的能量密度非常高，可以用来做切割。激光也是一个理论先于实验的案例。激光理论最早是由爱因斯坦提出的，但过了约50年，科学家才发明出真正的激光。

激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）简称LASER，全称受激辐射，中国香港、中国台湾地区翻译为镭射。简单理解：激光是一堆光子频率一样，振动步调也一样，振幅会形成干涉相长的相干电磁波。波的干涉原理让激光的功率极高，可用作激光切割。

激光的原理完全是量子力学。一个原子里，电子处在能量较低的能级，如果给原子提升能量，电子就会跑到能量高的激发态。如果给一堆原子持续注入能量，直到过半数原子都处在较高能级，根据能量最低原理，处在高能级的电子不稳定，倾向于掉落到低能级并释放出一个光子。这个光子出现后会影响处在高能级的别的原子。这个原子被这个光子干扰了之后也从高能级掉落回低能级，放出一个光子。这个光子就跟刚才干扰它的光子变成了“双胞胎”，频率一致并且振动步调相同，也就是相位一样。这两个双胞胎光子就去干扰下一个原子，变成三胞胎、四胞胎……N胞胎光子出现，它们频率一致，振动步调一致，功率强劲，这便是激光。

当然，如果只是在放置原子的腔体里产生的激光，其运动方向是随机的。所以要用一个特殊装置使得激光最后可以往一个方向射出。这个装置是一个谐振腔，结构是一根圆柱体，底面有两面是镜子，要把两面镜子调节得无比平行，只有这样，垂直于两面镜子的激光才能汇聚成一条直线。并且谐振腔的长短要经过调节，使其长度刚好是激光波长的整数倍，如此激光才能在谐振腔里形成驻波，使得激光强度不会减弱。谐振腔长度的调节也是激光波长的选择器，激光波长一旦与谐振腔长度不匹配，便无法形成驻波。这就是为何激光功率高、单色性好，即频率精确稳定，带宽窄，以及走直线的原因。