宇宙中最亮的光？2W可以射向月球，解释人类如何挖掘光的潜力。
一般来说，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度相当。但是，一种人造光的最高亮度可以超过氙灯十几个数量级(几十亿倍)，比宇宙中最猛烈的恒星爆炸产生的伽马射线暴还要亮100倍。
10月20日，1968，65438+在距离地球30万公里的月球上，美国探月飞船“勘测者7号”将电视摄像机对准了地球。此时的地球就像一弯新月挂在茫茫黑暗的太空中。此时，整个北美大陆一片黑暗。然而，在镜头中，黑暗的美洲大陆上出现了两个。还是城市之光？
其实这两个亮点一个来自亚利桑那天文台，一个来自加州天文台。它们是几年前发明的激光器产生的激光光源，它们的功率只有2W。有趣的是，从30万公里外的月球上看地球，所有灯火通明的城市都是黑暗的，只有这两个2W激光源可以被相机观测到。
2W激光的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯(当光通量为1流明的面积为1平方米时，其照度为1勒克斯)。如果用功率为1000 W的氙气探照灯照射月球，产生的照度只有100万勒克斯左右，人眼完全察觉不到。
激光亮度这么高的主要原因是大量的光子集中在一个非常小的空间里，所以激光的能量密度可以随功率增加，没有上限。
激光器的全称是“受激辐射产生的光放大装置”。起初，激光的中文名称直译为“激光”。1964年，钱学森先生将其改为“激光”，一直沿用至今。激光技术被认为是20世纪四大发明之一。是继原子能技术、半导体技术、计算机技术之后，又一项影响世界的重大科技突破。
如今，激光技术已经应用到各行各业，与我们的生活息息相关。然而，无论我们是否意识到我们每天都在使用激光技术，有多少人真正了解激光发光的原理？
02
自古以来，人类对“光”的追寻从未停止。古希腊人认为，光是人眼伸出的无形“触手”。当这些触须碰到什么东西时，人眼就能看到什么东西。
中国古人对光的认识很深:自然光以太阳为主，夜晚以月亮为辅。因此，古人在甲骨文中用“明”字比喻光明，西汉《周髀算经》中也指出:“日头照月，月色生，故成明月。”甲骨文中的“光”字，就是一个人拿着火的样子。古人很明确的指出“太阳也是火”。
在冷光方面，无论是二次发光的荧光还是低温氧化的磷光，中国古人也有很深的认识:
西汉《淮南子》最早记载了水曲柳木会发光的现象:当水曲柳木在水中浸泡一整天后，可以看到它在夜间发出紫色和淡黄色的光。有趣的是，在希腊神话中，宙斯创造人类时，人是从白蜡树中诞生的。
《淮南子云论训》中也有:“久血为磷。”的记载，并生动地描述了地上的血迹“暴晒一百天是磷，远处是明。”
我国清代著名科学家郑对“光”的概括非常精彩:“光、热为阳，光、寒为阴。杨火懒得说话。阴火是磷、萤火虫、海水，有火之光，无火之暖。”
从以上记载可以看出，中国古代对自然现象的认识普遍比西方深刻。
然而，到了牛顿时代(十八世纪)，西方科学已经成为世界主流。牛顿认为光是一个微小粒子在空间中的传播。1704年，牛顿用光学中的粒子理论解释了光的线性传播、反射、折射和颜色。此时的粒子理论与统治了光学理论一百多年的经典力学的概念框架是一致的。
“虽然我很佩服牛顿的名字，但我不认为他是万无一失的。我很遗憾看到他会犯错误，他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。”
1801年，英国博士托马斯·杨在他的著作《声光实验与探索纲要》中勇敢地发表了挑战牛顿的宣言。
托马斯·杨提出声音和光都是弹性振动——在充满整个空间的以太液体中传播的波。他还通过大量的实验准确地确定了各种色光的波长值。
更令人尊敬的是，托马斯·杨还做了一个著名的双缝干涉实验，对经典物理学产生了深远的影响:他在一张开有小孔的纸前放了一根蜡烛，从而形成了一个点光源(光源来自一个点)。这张纸后面的第二张纸上有两条平行的狭缝。当蜡烛通过两个狭缝投射到墙上时，会形成一系列明暗相间的条纹。
遗憾的是，当时这位博士在科学界的处境，和我们今天所说的“民间科学”差不多。他的论文被当时的物理权威嘲笑，被攻击为荒谬和不合逻辑。
但是，列宁说:“真理往往掌握在少数人手里。”
1818年，一位年轻的法国土木工程师奥古斯丁·菲涅耳(Augustine Fresnel)向法国科学院提交了一篇题为《光是波》的论文。他指出，光和水波、声波一样，遇到障碍物会发生衍射，会绕到障碍物后面。当不同的光波相遇时，可以相互干涉，形成明暗相间的条纹。
然而，牛顿的一位忠实支持者反驳了他的观点。法国数学家西蒙·丹尼斯·泊松认为，根据菲涅尔的理论，如果一束光平行照射在一个小球上，球的阴影中间会有一个亮点，这非常违背常识，因为阴影应该是黑色的。怎么会有亮点？
这时，一位英国物理学家多米尼克·弗朗西斯·让·阿拉戈在众人的见证下做了一个实验，用事实证明了球体的阴影中间确实有一个亮点。
这是因为球虽然阻挡了照在它上面的光，但也干扰了从它旁边经过的光，从而引起衍射。当这些衍射光线在球影中间相遇时，都有相同的向往和相长干涉，所以中间应该有一个比较亮的点。
从此，光的波动理论被世人所关注。
但是，无论是粒子理论还是波动理论，都只是在讨论光的一种传播状态，那么光的本质是什么？
1905年3月，爱因斯坦在《德国物理学年鉴》上发表了一篇题为《关于光的产生和转化的思辨观点》的论文:
对于时间的平均值，光表现出波动性；
对于时间的瞬时值，光表现为粒子。
这是科学史上第一次把光的波动性和粒子性统一在微观状态，即光波的波粒二象性。换句话说，光同时具有波和粒子的属性。
03
上面说了很多，无非是让大家知道“光”的本质是什么。这对人类取光为己用，深度加工，是非常重要的。接下来，人类科技发展的重心将集中在一个人身上。
“哪里有麦克斯韦，哪里就有光。”
当科学有重大突破时，不仅会震撼人心，还会影响后世。
1864年，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦将自然界的电、磁、光三种物理现象整合在一起，用简洁、对称、完美的数学方程形式表达出来。
原来光还是一种电场和磁场交织在一起，以波的形式传播的“电磁波”。
十多年后，德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹用双电感线圈的传输实验证明了电磁波的存在。电磁理论的建立为通信、广播、计算机、信息传输、材料科学、光学研究等各种高科技领域的发展奠定了基础。
所以麦克斯韦的电磁理论被费曼誉为人类科技史上最伟大的物理发现，确实对人类文明的发展产生了深远的影响。
04
电磁波是一种能量，所以和温度关系密切。从科学的角度来说，任何高于绝对零度(-273.438+05)的物质都会发出电磁波。
那么，激光也是物质发光的一种状态。要了解激光产生的原理，首先要了解物质的基本单位“原子”的结构。
一般来说，原子有一个稳定的结构:一个原子核和围绕它高速运动的电子。
这些电子将在它们自己的能级轨道上运动。当原子被动吸收一个光子时，外层轨道的电子会跳到更高能级轨道。这是一种不稳定的状态，只能持续很短的时间。当原子自动释放这个光子时，电子会回到正常的低能级轨道(显示发光)，回到原来的稳定状态，物理学家称之为自发辐射。
简单来说，根据能量守恒定律，当一个原子的能量发生变化时，其变化的能量并不是凭空产生或消失的，而是以光子的形式传播。
在1917中，爱因斯坦从理论上指出，高能级的原子除了自发辐射外，还可以通过另一种方式跳到较低能级。
当光子入射时，还会导致原子中的电子以一定的概率从高能级快速跃迁到低能级，同时辐射出一个与外来光子具有相同频率、相位、偏振态和传播方向的光子。这个过程被称为受激辐射。
可以想象，如果有大量原子处于同一状态，当一个光子入射时，激发其中一个原子产生受激辐射，得到两个特性完全相同的光子。这两个光子再次激发两个原子，并使其产生受激辐射，就可以得到四个具有相同特性的光子，以此类推，也就是说第一个光子可以连续倍增。这种在受激辐射过程中产生并放大的光称为“激光”。
1951年，美国物理学家查尔斯·哈德·汤斯想出了一个改善受激发射的绝妙主意:如果能持续提供高能级的原子，就能保证越来越多的光子。
他把这些高能级原子放在两个反射面之间，这样一个光子就可以在高能级原子之间来回穿梭，当产生足够多的光子时，就从一个稍微透光的反射面发射出来。
这个关于城镇的奇妙想法是一个伟大的想法，从那时起所有的激光都被应用到他的想法中。
7年后，唐斯和美国科学家罗晓发现了另一个神奇的现象:当他们把氖灯泡发出的光放在一个稀土晶体上时，晶体的分子会发出明亮而强烈的光，这些光会一直聚集在一起。根据这一现象，他们提出了“激光原理”:
即当一种物质受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，就会产生这种不发散的强光——激光。这个理论为他们赢得了1964年诺贝尔物理学奖。
1960 5月15日，美国加州休斯实验室的科学家西奥多·梅曼(Theodore Mayman)宣布，他获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束真正的激光，也因此梅曼成为世界上第一位将激光引入实用领域的科学家。
麦曼的计划是用高强度闪光管来激发红宝石。因为红宝石在物理学上其实是一种掺有铬原子的刚玉，红宝石受到刺激时会发出红光。在红宝石的表面钻一个洞，在红宝石的表面装一个反光板，让红光从这个洞溢出，从而产生一束相当集中而细长的红色光束，打到某一点时可以达到比太阳表面还高的温度。
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人类对光的追求从未停止，激光是人类最杰出的发明之一。如今激光技术已应用于军事、医疗、工业、商业、科研、信息等六大领域，堪称与时俱进的国之利器。
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