用放大镜将激光放大100倍，威力究竟有多强？结局果然不出所料！

激光产生原理

了解激光产生原理，我们必先了解物质的结构，与及光的辐射和吸收的原理。

{josimage}物质由原子组成。图一是一个碳原子的示意图。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布满着带负电的电子，绕着原子核运动。有趣的是，电子在原子中的能量并不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的「能阶」，不同的能阶对应于不同的电

子能量。为了简单起见，我们可以如图一所示，把这些能阶想象成一些绕着原子核的轨道，距离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道最多可容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道

(也是最近原子核的轨道)

最多只可容纳2个电子，较高的轨道则可容纳8个电子等等。事实上，这个过份简化了的模型并不是完全正确的，但它足以帮助我们说明激光的基本原理。

电子可以透过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶。例如当电子吸收了一个光子时，它便可能从一个较低的能阶跃迁至一个较高的能阶

同样地，一个位于高能阶的电子也会透过发射一个光子而跃迁至较低的能阶

在这些过程中，电子吸收或释放的光子能量总是与这两能阶的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。

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当原子内所有电子处于可能的最低能阶时，整个原子的能量最低，我们称原子处于基态。图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。当一个或多个电子处于较高的能阶时，我们称原子处于受激态。前面说过，电子可透过吸收或释放在能阶之间跃迁。跃迁又可分为三种形式﹕

1.自发吸收

电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶

2.自发辐射

电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶

3.受激辐射

光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子

{josimage}激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。图三显示红宝石激光的原理。它由一枝闪光灯，激光介质和两面镜所组成。激光介质是红宝石晶体，当中有微量的铬原

子。在开始时，闪光灯发出的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。此时，有些电子会透过释放光子，回到较低的能阶。

而释放出的光子会被设于激光介质两端的镜子来回反射，诱发更多的电子进行受激辐射，使激光的强度增加。设在两端的其中一面镜子会把全部光子反射，另一面镜

子则会把大部分光子反射，并让其余小部分光子穿过﹔而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。

{josimage}产生激光还有一个巧妙之处，就是要实现所谓粒子数反转的状态。以红宝石激光为例

原子首先吸收能量，跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短，大约

秒后，它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。原子停留在亚稳态的时间很长，大约是

秒

或更长的时间。电子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象称为粒子数反转。粒子数反转是产生激光的关键，因为它使透过受

激辐射由亚稳态回到基态的原子，比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。

——来源：励光解芷容