自然界存在自然產生的激光嗎?

科幻作家

題主你好。激光是外來語翻譯過的,因此需要先理解它的英語名稱。激光的英語名稱叫laser,它是五個詞語的首字母組合。如果按照激光的英語名稱進行直接翻譯,應該叫“光受激輻射放大”(Light Amplification by stimulated Emission of Radiation)。我之所以提到激光的英語名稱,是因為它的英語名稱提供了關於激光幾乎全部的物理信息。首先是要有光子的受激輻射,接著是能對光強進行輻射放大。這就導致要想產生激光,需要三個條件:布居數反轉、諧振腔和激勵能源(也叫泵浦功率)。

我簡單介紹一下這三個條件的物理含義。布居數反轉,又叫負溫度。它指的是原子的高能激發態有大量電子佔據,而低能激發態有少量電子佔據。這明顯是違背正溫度下的玻爾茲曼分佈律——該分佈律要求高能態粒子數目少兒低能態粒子數目多。為了能實現這一目標,需要外界持續不斷地輸送能量,這就需要激勵能源(或者叫泵浦功率)。當光子產生以後,如果直接輻射出來那等於是普通光,因為此時光子的光強很弱,需要進行輻射放大。這就需要諧振腔。諧振腔的作用就是讓產生的大量光子不斷地發生光振幅疊加,從而形成正反饋。另外,諧振腔能控制激光的頻率——學過電動力學都知道諧振腔存在特定頻率本徵模,它能保證只有處於特定頻率的光子才能在諧振腔裡不斷被放大,而其他頻率的光子則溢出。

回到題主的問題上,在自然界裡,除非是高能天體可以讓布居數反轉得以實現,這就是恆星不斷輻射光子的原因之一。但是由於缺少諧振腔,很多天體輻射出的光子不具有強相干性,所以它們不是激光!但是在一些相對年輕的恆星上還是有可能找到天然激光的。原因是這些天體可以輻射出很強的紫外光,然後照射到一些塵埃上,導致光受激輻射。由於紫外光段的波長很窄(保證相干性),加上高能天體的光強很強,所以這樣形成的光輻射是激光。一個例子就是二十多年前NASA就曾經觀測到了天然激光。


科學聯盟

經幾十年的技術發展,在產生髮射激光的手段上有很大的進步。激光一詞的物理意義也放寬了,如一些較低光能量密度的聚射光也被稱作激光,如激光筆、激光電視等。

自然界中,最接近激光發射原理的是帶電雲團的閃電。閃電時產生類擊穿式的放電,電流中的高速電子轟擊氣體分子,轟擊出一個或一個以上的電子,即二次電子,使電子數量激增,較果等同放大;二次電子繼續作用到隨機碰到的氣體分子,當電子能量被分子外層電子吸引後,隨即發生電子躍遷發光,即是閃電光。整個過程很短,所發出的光頻率從低頻紅外到高頻紫外,甚至X光頻段光(有研究表明還有γ頻段的高能光子)。這些光符合激光概念定義的光放大(但不能聚能)。閃電的效果算不算激光呢?見仁見智!

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