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激光的奥秘：原理与应用
概要：
激光是一种通过调整光波形和频率来集中光束的设备。它们利用受激辐射的光放大原理，将光波在束内振荡，以整齐有序的方式排列。激光的内核是通过给材料注入能量，使电子进入激发态，然后通过光的吸收和发射来放大光的能量。激光具有相干性，使得光束中的每个光子具有相同的特性，并与其他光子同步振荡。目前，世界上最强大的激光设备位于罗马尼亚的欧洲极端光基础设施中心，它能产生极短脉冲的光子、质子、中子和中微子，具有令人难以置信的能量。这些发现为我们理解激光的工作原理和应用提供了重要的见解。
激光器是一种设备，它们通过强制光波的波形和频率保持一致来聚集光束。激光器最初在1960年代被开发出来，用于放大微波，而现代激光技术可以增强电磁频谱中几乎任何部分的光线，伽马射线除外。
“激光”这个词代表“受激发射的辐射的光的放大”(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)，在技术上解释了激光器的工作原理。
尽管更准确地说，激光器今天并不放大光线，而是使光束内的波震荡以排列整齐有序。
与放大相比，顺序(或者从技术上说是“振荡”)可能更准确，但会有更少的人愿意用“失败器”激光笔逗猫。
所以仍然使用“激光器”这个词。
激光器是如何发挥激光功能的?
激光器的核心是那些在光通过时为电磁频谱提供能量增益的材料。这种增益被称为“增益”，可以有效放大光的功率。
这种放大背后的过程称为受激发射。材料中的原子被注入一股能量(如高电流)，将电子推到激发态。将光线照射或反射通过这种激发态的材料会使电子吸收然后发出自己的光子。
在一些激光器中，这种增益媒介根本不是由原子组成的材料，而只是以高速运动的电子。
困在一个反射光线的腔内，增益介质在技术上放大了通过它的光线量。这是光的受激发射放大的基本原理。
虽然放大是过程的一个关键部分，但使这种激光器能够像我们用于逗猫、播放DVD或击落歼星舰那样使用的特征是相干性。
通过增益介质的光线最终都是相同的颜色。完全相同。相同的波长，相同的方向，相同的偏振度。只是更多一点。
然后，将波返回并通过光学腔过滤光束，这样输出的就是相位相同的波。光束中的每个光子不仅具有相同的特征，而且与其他光子的振荡保持同步。
有史以来制造的最强大的激光器是什么?
迄今为止设计的最强大的激光器位于罗马尼亚的欧洲极端光基础设施机构。其激光器是世界上最强烈的激光器之一，能够生成极短的光子、质子、中子和中微子脉冲，拥有难以置信的能量。
其高功率激光系统使用钛掺杂的蓝宝石增益介质，设计为生成高达10皮瓦的激光脉冲。
考虑1瓦特是1焦耳的能量在1秒钟内。为了加强对比，将1升水的温度升高1摄氏度需要略超过4000焦耳的能量。
1皮瓦特是1秒钟内的1千兆兆(1015)焦耳。诚然，脉冲只持续了22飞秒(22 x 10-15秒)，但这仍然是极小的时间里聚集了可观的能量。
不过，这项记录可能不会持续很久。中国的“超级激光站”在未来几年可能会用新兴技术打破这项纪录，这种技术可以生成高达100皮瓦的激光，如此强大的爆发能量，足以使空虚的空间产生粒子的喷射，展示前所未有的物理学现象。
本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。