六、光子组织者

激光一般由三部分组成：第一是产生激光的物质，称为工作物质；第二是激光谐振腔，由两面光学反射镜构成；第三是能源，或称激发源。

如果把激光比作光子的大合唱，那么，挑选工作物质好比挑选合唱队的队员。合唱队员必须用相同的音调，才能唱出动听的歌曲。而激光工作物质必须能产生大量频率一致的光子，这样，激光的颜色才能纯，光强度才能高。

谐振腔可以比作乐器的共鸣箱，提琴、吉他都少不了共鸣箱；声音通过它的作用，才能变得宏亮动听。光子群若没有激光谐振腔帮助，会像广场上的人流一样，各奔东西，没有定向。有了激光谐振腔，光子在其中来回激荡， 方向越来越集中，光子群也不断壮大，最后成为一束强光从谐振腔的一个反射镜中射出来。

为了说明激发源的作用，我们可以用公园假山上的人工瀑布来作比喻。瀑布从几米高的假山石上冲泻下来的水帘形成的。水花飞溅，水声哗哗，好听极了，真像一首有形的美妙“乐曲”。这首“乐曲”演奏时，需要一个水泵，不断把水泵到假山上。光子大合唱要唱起来也要一个泵，这就是激发源， 激发源发出的光、电或者热，把光子“激”上“山”，才可能产生美妙的激光。用光来激发光子的激发源直接称为“光泵”，这可以和水泵相对应，是一种形象化的说法。

再好的比喻也总有不足之处。为了使少年朋友有一个更为准确的概念， 我们再详细谈一谈红宝石激光器。

科学家找光子“合唱演员”比合唱队指挥挑演员难得多。合唱队挑演员只要请报考者试唱一下，看看外貌，从中物色合格的“演员”。因为光子实在太小，单个的光子简直难以捉摸。找啊，找啊，总算找到第一种激光物质

——红宝石。红宝石是氧化铝和氧化铬组成的晶体，也叫人造宝石，它能吸收蓝光和绿光。自然光是由红、绿、蓝三基色组成的白光。在自然光照明下， 红宝石吸收了其中的蓝光和绿光，让红光透过，或反射出来，看起来就是红色的。正是由于它那种像玫瑰花一样的美丽的红色，更兼晶莹透亮，光华闪烁，才获得了“红宝石”的美称，被人们用来做首饰或装饰品。然而，科学家注意的却是红宝石的原子结构——能量阶梯，或称为能级结构。研究后发现其中铬离子在能量变化中可能发射出暗红色的光子群，这就满足了做激光工作物质的基本条件。

红宝石吸收蓝光和绿光，科学家就用脉冲氙灯产生的蓝绿光来激发它。这种灯用石英管做成，管内充氙气，两端是电极；加上脉动电压后，这种灯能发出能发出脉冲形式的白亮闪光，所以称为脉冲氙灯。它虽然也叫灯，却

不是用来照明的；因为它发的白光中含有大量的蓝绿光，专门让它为红宝石激光器提供激发源，也因此而称为光泵。

用在第一台激光器里的氙灯，灯管做成螺旋形，再把一根磨制成细长圆柱形的红宝石棒放在中心。脉冲氙灯发出的光向四面八方散射，为了有效地利用它的光能，还要把宝石棒和脉冲氙灯一起装到一个内壁反射率很高的容器里，使光能集中到红宝石棒上。

这样的装置只能产生大量单一波长（0.6943 微米）的光子，但还不能形成“有组织”的激光。第一台激光器的发明者梅曼，按汤斯的设想，在红宝石棒的两端磨出两个光学平面，相互平行，而与棒的轴线垂直。平面上还镀上银，一端镀得厚一点，形成一面反射镜；另一面少镀一点，让一小部分光透出来，大部分光反射回去。这样在轴线方向的光可以在两端面之间来回反射，不断发生受激辐射过程，“激”出越来越多的光子，光子群不断壮大， 最后有一部分光子从一端平面中发射出去。这两面端反射镜构成了“激光谐振腔”，它把光子组织到一个方向上，越来越集中。而其他方向上发出的光， 射到端面经过一两次反射就偏离出红宝石棒，在空间损耗掉了，所以得不到增强，形成不了激光。

这些过程比你读完上面这段文字要快得多，大致上是以光速进行的。一根 10 厘米长的红宝石棒，在十亿分之一秒的时间内，光子可以在其中来回跑三趟。一个光子一下子就可以“激”起一大群光子。这第一个光子好比发令枪发出的信号，其他光子应声而起。激光腔的作用是不让轴线上不断壮大的光子群逃逸出去，把它们在一个方向上“组织”起来。

正因为激光是这样被组织起来的，所以它具有波长一致，能量集中，方向集中等特色。

激光器一般是由三个部分组成的。但是，从第一台红宝石激光器问世以来，随着激光技术的迅速发展，20 多年间，科学家陆续创造了各种形式的激光器。现在的激光器，从外形到结构。已经跟第一代激光器有了相当大的变化。

我们来看看它们的变化吧。