維基少年:事物如何運作/雷射
雷射是一種可以產生明亮彩色光束並將其聚焦到一個點上的裝置。通常，燈泡發白光是因為它會發出我們能看到的所有顏色的光。它是透過加熱一根金屬絲直到發光來實現的。雷射的工作原理完全不同，因此它可以產生非常窄的單色光束。雷射是“受激輻射的光放大”的縮寫。
導致雷射發明的想法是阿爾伯特·愛因斯坦在1916年發現的。但直到1953年這些想法才被應用。第一個雷射器實際上被稱為“脈澤”，因為它使用了微波。（這與微波爐中使用的能量型別相同）。查爾斯·湯斯和他的兩位學生製作了第一個脈澤，但它只能工作很短的時間。蘇聯（俄羅斯）的兩位科學家尼古拉·巴索夫和亞歷山大·普羅霍羅夫想出瞭如何讓脈澤持續工作的方法。這三位科學家因他們的發現獲得了1964年的諾貝爾獎。
第一個雷射器的想法來自查爾斯·湯斯和阿瑟·肖洛。戈登·古爾德對這一想法進行了研究，並在1959年的一篇論文中記錄了它。這篇論文是首次使用“雷射”一詞。
第一個工作的雷射器是由西奧多·梅曼發明的，並在1960年5月16日展示。
雷射器由電力驅動。電流為它提供發射光所需的能量。
雷射的名稱來自其名稱的首字母縮寫，“受激輻射的光放大”。這只是說，透過向材料中注入能量，可以產生一束明亮的光。能量輻射來自外部來源，並進入材料，然後泵浦或激發材料。材料中的原子透過吸收這種能量進入激發/快速運動狀態。
一個光包被稱為光子。這個詞來自希臘語中的光的意思。當一個特定顏色的光子穿過一個激發的原子時，它會導致該原子釋放一個相同顏色的光子。因此，總光亮度略微增加，光子繼續穿過材料。當它這樣做的時候，它會經過其他激發的原子。這些原子也會發射相同顏色的光子。結果，光被放大/增強，形成了一束明亮的單色雷射束。
光束會導致所有激發的原子以光子的形式釋放它們的能量。通常，所有光都會一直傳播，直到被障礙物吸收。但是，如果向材料中泵入更多能量，它將保持雷射束開啟。
雷射器由一個位於材料兩端的鏡子組成。光子會在這些鏡子之間來回反射，導致更多光子被髮射。
(參見關於下面新增的討論頁面)
一些雷射器只有二極體。它被切成兩半，這樣你就可以看到它的零件。下圖顯示了一個類似於發光二極體的雷射二極體。
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The picture below shows a ruby laser.. The first working laser was a ruby laser, and it was invented in 1960.
它被切成兩半，這樣你就可以看到它的零件。中間閃亮的紅色管子是紅寶石晶體。當雷射器開啟時，雷射束會從那裡發出。
如果你仔細觀察圖片，你會發現有兩個圓形鏡子，分別連線在紅寶石晶體的兩端。遠端的鏡子被稱為“全反射鏡”。到達這種鏡子的所有光都會再次反射回來。
晶體近端的鏡子被稱為“部分反射鏡”。這種鏡子會反射大部分光，但部分光可以透過它。
一個石英管繞著紅寶石晶體盤繞。它被稱為“石英閃光管”，它的兩端連線到電源，形成一個電路。在上圖中，我們讓石英閃光管透光，這樣你就可以更好地看到晶體。
所有這些零件都位於一個鋁製圓柱體中。圓柱體經過高度拋光，就像一個彎曲的鏡子。
當電源開啟時，電流透過石英閃光管，併發出非常明亮的閃光。閃光管周圍的反射圓柱體有助於將所有光都聚焦到紅寶石晶體上。
與其他一切一樣，紅寶石晶體也是由原子構成的。一個真實的原子非常小，即使使用最強大的顯微鏡也無法看到它。它們在這張圖片中被放大很多，這樣你就可以看到它們。
來自石英閃光管的光照射到晶體中的原子。一些原子吸收光，使其獲得更多能量。據說它們處於“較高能級”。為了回到它們之前的能級，它們必須擺脫從光中獲得的額外能量。它們透過發射一個叫做“光子”的微小光粒子來做到這一點。科學家將這個過程稱為“受激輻射光發射”，因為原子被強光激發，導致發射一個光子，而光是一種輻射。下一張圖片顯示了原子發射光子。
當然，在現實中，光子比圖片中的小得多。光子甚至比構成原子的東西還要小！
當它們從原子中發射出來時，光子會向各個方向射出。
有時，它們會經過另一個原子，當這種情況發生時，另一個原子也可能發射一個光子。
如果另一個原子發出的光子經過另一個原子，那個原子也可能發射一個光子。因此，光子的數量迅速增加，雷射的內部變得非常明亮和熾熱。一個水冷系統可以防止它過熱。
當光子照射到鏡子時，它們會反射回來。許多光子會在鏡子之間來回反射，在途中經過原子，並導致更多光子被髮射。科學家稱之為“光放大”，因為光（由光子構成）被放大（變得更亮）。
由於有如此多的光子在鏡子之間來回飛舞，其中許多光子會從晶體的前端部分反射鏡中逃逸出來。我們在下圖中顯示了一些這些光子。
雷射束是由數百萬個光子組成的，這些光子從晶體中逃逸出來，穿過前置鏡。
從按下開關到雷射束出現，整個過程都在眨眼之間完成。
雷射束的光線可能非常亮。如果它有足夠的能量，這種光束會對眼睛造成傷害。你不應該直視雷射束。當科學家使用非常強大的雷射時，他們必須戴上護目鏡以避免受傷。即使是弱雷射束，如果長時間直視，也會對眼睛造成傷害。
光子像波浪一樣在空間中移動。就像水面上移動的波浪，上下振盪一樣，光波也有一個振動頻率。這個頻率被稱為頻率，它決定了我們看到的顏色。
普通的燈泡會發出各種頻率的光子。因此，我們看到燈泡的光是白色的。然而，雷射只發射單一頻率的光子。這種光被稱為單色光，這個詞的意思是單色。
就像閱兵式上計程車兵們同時邁步一樣，雷射中的光子也彼此同步移動。這被稱為相干性。它是一個非常有用的雷射特性，因為波浪會相互作用。例如，正是這種相干性，使雷射能夠製作全息圖，即可以產生三維影像的圖片。
最後，來自雷射的光線都朝著同一個方向移動。手電筒（英國英語：手電筒）發出的光線呈錐形，並且光束的亮度隨著距離的增加而降低。但是，雷射發出的細光束在更遠的距離內仍然保持明亮。
雷射的這三個特性：單色性、相干性和細光束，在許多應用中都是有用的。雷射現在被廣泛應用於各種裝置中。（有關示例列表，請參閱下面的“它如何改變了世界？”）
雷射在它們發射的光的頻率上可能有所不同。頻率取決於製造雷射所用材料的型別。這是由於原子特性的差異造成的。
雷射的光束亮度或強度也可能不同。最弱的雷射是相當無害的，可以在課堂上用來指向投影螢幕上的位置。一些最強大的雷射可以快速切割堅固的岩石或金屬板。
有幾種不同型別的雷射。用來產生光束的材料可以是固體，比如一塊紅寶石。一些液體和氣體也可以用來製造雷射。雷射還可以用與製造計算機晶片類似的材料製成。由於它們的電氣特性，這些被稱為半導體材料。
雷射是非常有用的裝置，它們已經被應用到許多裝置中。一種叫做光纖的材料可以用來引導來自雷射的的光線，它被用來使計算機相互通訊。雷射也被用於CD和DVD驅動器來讀取磁碟上的小凹坑。（參見工作原理：DVD）
雷射光線以非常直的線傳播。直線光束可用於測量長距離，以及在建造橋樑和建築物時保持對齊。士兵們使用雷射來引導火箭擊中目標。
更強大的雷射可以用來切割堅硬的金屬。它們被用於非常精細的手術，比如修復無法正常視力的眼睛。它們可以用來去除紋身或胎記。
為了創造雷射，科學家們必須解釋原子的工作原理。他們必須提出被稱為“量子力學”的理論，該理論指出光和其他非常小的粒子都以稱為量子的包的形式存在。這個詞來自拉丁語“quantum”，意思是“多少”。
量子力學理論指出，原子只能儲存一定數量的能量。原子內部有被稱為電子的微小負粒子，它們可以吸收能量。當一個電子接收了合適的能量，它可以躍遷到更高的能級。透過這樣做，它進入了一個激發態，這意味著它具有更多的能量。隨後，電子可以釋放這種能量，下降到一個較低、能量較低的激發態。