齐心协力的光子军队
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打开激光笔，细长笔直的光线可以打到很远的墙上，留下一个光点。有的老师会用激光笔来指示黑板或电子屏，这样就不用在讲台上跑来跑去了。
事实上，小小的激光束可以蕴藏很大的能量（注意请勿随意照射或直视）。一些激光笔射出的光线甚至能直达远在太空的国际空间站。激光为什么能跑那么远？又为什么能集中成一束呢？就让我们来了解一下激光是怎么产生的吧！
激光的名字其实已经告诉我们它是怎么来的。激光的英文名叫做“Laser”，是它英文全名“Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation”的缩写，意思是“通过受激辐射产生的光放大”。也就是说，激光是原子受激发辐射产生，再经过增强放大的光束。
在原子内，带正电的原子核周围环绕着许多带负电的电子，正负电荷的相互吸引使得电子不会到处乱跑。这些电子所拥有的能量，即所处的能级是一定的，相对来说比较稳定，我们把原子这种能量最低的状态叫做基态。但是当我们为它们注入外界能量（如电能、光能或化学能）后，吸收了足够能量的电子会像爬楼梯一样爬到更高的能级，这种状态被称为激发态，由于高能态是不稳定的，它还会落回更低的能级，同时将能量以光子的形式释放出去，这个过程就叫做自发辐射。
我们日常生活中使用的照明灯都是根据这个原理发光的。在普通灯泡中，电子受激发后释放出的光子特性是随机的，所产生的光线类型和状态都有差异，它们杂乱无章地奔向四周，没有共同的方向。而激光不同，它们总是团结一致，向着共同的目标进发。
激光的产生原理比自发辐射更复杂，当高能态的电子自发辐射出的光子遇到另一个高能态的电子时，这个光子想给自己找个伴儿，于是便诱使这个电子落到较低的能级，同时释放另一个光子，这就是受激辐射。被诱导释放出的光子和激发它的光子就像对形影不离的双胞胎，它们振动形成的光波拥有相同的波长（波在一个振动周期内传播的距离）、相位（特定时刻波在循环中的位置）和移动方向。
为了让更多电子发生受激辐射，增强激光，需要在提供电子的激发来源（例如气体和晶体）两端分别安上一面镜子，这样光子就会在两面镜子之间反射，让它们有更多的机会和电子相遇，释放更多光子，以壮大整齐划一的“光子军队”。其中一面镜子会反射全部光子，另一面则只起半反射的作用。当激光积累到一定强度，就会从半反射镜面跑出去。这个让受激辐射增强的装置就叫做“共振腔”，它能让特定波长和特定方向的光波汇聚在一起，光波们互相重叠，步调一致，所以光束才非常集中，可以汇在小小的一点上，同时能量也被聚集起来，赋予激光利剑一般的穿透力。
方向一致、能量集中、传播距离远的激光当然不会只用在激光笔上，它的应用非常广泛。你身边常见的条形码扫描仪和各种电子通讯设备都用到了激光。在医疗领域，激光被用作精准锋利的“手术刀”。能量极高的激光甚至可以切割金属和钻石。而它擅长长跑的本领则被天文学家用来测量天体之间的距离。即使是微不足道的光子，同心一致起来的力量也可以大得惊人！
参考资料：
https://spaceplace.nasa.gov/laser/en/
http://www.hk-phy.org/articles/laser/laser.html
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%BF%80%E5%85%89
作者：Mirror
审稿：张轩中（科普作家，中国物理学会会员）
