自然界存在自然产生的激光吗?

科幻作家

题主你好。激光是外来语翻译过的,因此需要先理解它的英语名称。激光的英语名称叫laser,它是五个词语的首字母组合。如果按照激光的英语名称进行直接翻译,应该叫“光受激辐射放大”(Light Amplification by stimulated Emission of Radiation)。我之所以提到激光的英语名称,是因为它的英语名称提供了关于激光几乎全部的物理信息。首先是要有光子的受激辐射,接着是能对光强进行辐射放大。这就导致要想产生激光,需要三个条件:布居数反转、谐振腔和激励能源(也叫泵浦功率)。

我简单介绍一下这三个条件的物理含义。布居数反转,又叫负温度。它指的是原子的高能激发态有大量电子占据,而低能激发态有少量电子占据。这明显是违背正温度下的玻尔兹曼分布律——该分布律要求高能态粒子数目少儿低能态粒子数目多。为了能实现这一目标,需要外界持续不断地输送能量,这就需要激励能源(或者叫泵浦功率)。当光子产生以后,如果直接辐射出来那等于是普通光,因为此时光子的光强很弱,需要进行辐射放大。这就需要谐振腔。谐振腔的作用就是让产生的大量光子不断地发生光振幅叠加,从而形成正反馈。另外,谐振腔能控制激光的频率——学过电动力学都知道谐振腔存在特定频率本征模,它能保证只有处于特定频率的光子才能在谐振腔里不断被放大,而其他频率的光子则溢出。

回到题主的问题上,在自然界里,除非是高能天体可以让布居数反转得以实现,这就是恒星不断辐射光子的原因之一。但是由于缺少谐振腔,很多天体辐射出的光子不具有强相干性,所以它们不是激光!但是在一些相对年轻的恒星上还是有可能找到天然激光的。原因是这些天体可以辐射出很强的紫外光,然后照射到一些尘埃上,导致光受激辐射。由于紫外光段的波长很窄(保证相干性),加上高能天体的光强很强,所以这样形成的光辐射是激光。一个例子就是二十多年前NASA就曾经观测到了天然激光。


科学联盟

经几十年的技术发展,在产生发射激光的手段上有很大的进步。激光一词的物理意义也放宽了,如一些较低光能量密度的聚射光也被称作激光,如激光笔、激光电视等。

自然界中,最接近激光发射原理的是带电云团的闪电。闪电时产生类击穿式的放电,电流中的高速电子轰击气体分子,轰击出一个或一个以上的电子,即二次电子,使电子数量激增,较果等同放大;二次电子继续作用到随机碰到的气体分子,当电子能量被分子外层电子吸引后,随即发生电子跃迁发光,即是闪电光。整个过程很短,所发出的光频率从低频红外到高频紫外,甚至X光频段光(有研究表明还有γ频段的高能光子)。这些光符合激光概念定义的光放大(但不能聚能)。闪电的效果算不算激光呢?见仁见智!

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