激光

 

‘通过受激发射光放大’,英文名为‘Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation’,也就是我们通常知道的LASER(激光)。激光是放大受激辐射产生的光,是一种特殊的光辐射,你可以把这个辐射看成是一束由光子作为基本单元的粒子束。光子没有质量而且以物理允许的最快速度传播着。从太阳发出的光,传到地球要8分钟,而光从月球到地球只要2.5秒。

为了理解激光,我们这里简单地介绍一下通常的光。光可以有不同的颜色,对应着不同的波长,我们熟知的可见光只是整个光谱很小的一部分,大部分光都是不可见的。光的波长与光子的能量成反比,也就是说波长越短,能量越高。可见光的波长都很短,通常以‘纳米’(符号nm)这个单位衡量,只有十亿分之一米。

GEO 600 激光系统

GEO 600 激光系统。图片来源:汉诺威爱因斯坦研究所

我们通常知道的灯光还有其他光源都会产生朝不同方向传播而且波长也不尽相同的光子。激光是一种比较特殊的光源,因为激光产生的光子几乎具有相同的波长而且方向性也很好,几乎都朝一个方向传播。这个特性使得激光在对光束有着特殊要求(比如光束要求很小)的邻域有着广泛的应用。

其实激光并不神秘,它出现在我们的日常生活中,只是我们不留心而已。你可以在你的房间中随时找到激光:DVD播放器用的是640nm的红色激光,蓝光光碟播放器是405nm的蓝紫色激光,而且电脑里用来读写CD光盘的都是激光。694nm红宝石激光器甚至被用来清洗刺青,而且激光已经用来治疗近视,读取商品条码,还有测量房间大小等等。

我们倾向使用激光做精密测量,其中一个非常重要的原因是激光光束不会随传播的距离增大而扩散太快。在干涉仪中(参看介绍干涉仪的页面),当由分光镜分裂的两束光通过反射镜回到分光镜时,为了能准确得测量两臂长的改变,得到很好的干涉条纹,得要求反射回来的光束(光斑)大小和开始几乎一样。通常的光源是没法实现这点的,举个日常生活中的例子,我们拿下台灯的灯罩,把灯罩对着一面墙,可以看见一个很大的白光斑,当我们拿着台灯退到离墙一步远的地方,可以看到光斑变大了,而且光斑的边缘也变模糊了,当我们离墙再远的时候,甚至看不到光斑原来的形状了。然而如果我们用激光做同样的实验,我们发现即便站在了房间另一边,激光光斑的大小并没有改变很大。

下面的Processing小程序Stimulated Emission(受激辐射)可以帮助理解激光如何通过放大受激辐射 而被产生的工作原理。

通常引力波探测器使用的是波长为1064nm的红外激光。它是不可见光,所以得特别小心,如果入射到眼睛里,可能会造成永久性的伤害。因此,做相关实验的时候,我们都一定得带保护眼睛的防护镜。除了波长之外,激光功率也很重要,通常我们在做演讲时使用的激光教鞭的功率是1毫瓦,CD/DVD刻录机用的激光功率是100-250毫瓦,而工业上用来切割的激光则要求为1.5千瓦。引力波探测器中的激光功率是很有讲究的:太低时,光强浮动太大,探测器的灵敏度也会很低,然而也不能太高,由于高功率激光会对干涉仪的镜子产生很大的辐射压力,使其偏离我们希望的工作点,破坏光的干涉,那么我们就没法通过干涉测量引力波信号了。