激光能量和波长有关吗（激光和无线电波产生的原理本质上有区别吗）

——维度开拓者（原创首发)

激光简单地说是一种频率单一、频宽狭窄的光，相干性好，远距离传输光斑非常小，因而单位面积的光斑所含能量和功率非常高。激光本质是从分子，原子、离子等粒子受激发射产生的，因此气体、固体（晶体）、液体（有色溶液）、半导体等都可以用来制造产生激光。最近科学家发现有机超导体有激光的放大作用，这表明超导体也可以产生激光。宇宙中除了伽马射线（爆）激光外，似乎没有天然的激光存在，一般都是人造的。

从激光器的材料种类看，一般的气体分子、离子激光器功率和能效很高，缺点是体积较大。由于气体分子键激发的能级比较低，因而激光频率一般都在中红外波段。由于可选择的稳定气体较少，所以气体激光频谱范围相对狭窄。

固体和液体材料激光器可选择各种原子、离子或分子材料，因而激发能级范围宽，激光频率范围很广，可涵盖红外到紫外等所有波段。但由于固体无法从内部激励工作物质，液体工作物质温度变化对其激励放大影响较大，所以激光输出功率一般相对较小，激光能量输出效率也较低。

半导体激光器采用半导体能带的电子跃迁激发产生激光，激光的频谱范围较宽，可涵盖红外到紫外所有波段。由于谐振腔较小，输出激光的频率一致性较差。但优点是体积小，能效高、可靠性好。

激光与无线电波的产生原理本质没有区别，共同点是一致的。它们的原理用一句话概括就是，能量激发工作物质，激发的光或无线电波在谐振器中产生共振放大效应，从而产生频率单一的光（简称激光）或频率单一的无线电（磁）波。

其中关键要素有二个：

一是工作物质。起到能量吸收和放大效果，从而激发频率单一的光和无线电（磁）波。

二是谐振器。反馈谐振器内共振电磁波能量，过滤掉非共振波的能量。使电磁波能量最大程度地被工作物质吸收放大。

为了更好的理解激光原理，我们先看无线电波的产生的原理。

无线电波的频率范围很宽，低频如交流电只有50HZ，中频3000KHz，高频到微波段3000GHZ。一般无线电波谐振器都采用电感和电容组合。

请看图一、图二，图一最简单的电感反馈式无线电振荡器电路原理图。

图一

图二、LC电磁谐振器

电容中电荷流过电感产生磁场，磁场又激发产生电场，感应出电荷。正负电荷不断在电容两极振荡，从而产生无线电波。其中工作物质就是“真空”。

图二的最简单LC振荡器，由于线路的电阻和无线电波能量的发射，振荡电流很快消失，无法产生稳定的无线电波。所以采用图一的反馈式激励电路，从LC谐振器中取出一部分电流放大后再输入LC谐振器线路中，从而产生稳定的无线电波输出。

由于LC谐振器振荡频率由电容和电感大小决定（频率f=(LC)^-0.5），当要产生非常高的电磁波时，电感和电容必须做得非常小，但由于电子线路和器材内部都分布很小的电容和电感，一般的半导体器材无法满足，因此普通的LC谐振器获得最高的频率有限。

大功率的高频微波，就不能用这种普通的LC谐振器，下面是微波炉中产生微波的磁控管原理。

图三、磁控管

图四、磁控管原理

磁控管是一个特殊的二极管，中间的阴极是可以发射电子的材料，外圈是阳极，两端有高压，磁场方向与阴极电子到阳极的线路垂直。电子从阴极到阳极的过程中会因磁场发生偏转，高速偏转移动的电子在阳极开口腔外经过时会产生变化的电场，每个阳极开口都相当于微小的LC谐振器，电子不断的激励从而产生超高频电磁波——微波。

从以上无线电(磁)波产生原理看，要产生比微波频率更高的电磁波——激光，就需要用到更小的振荡器（工作物质），那就是组成物质的分子、原子或离子。

分子中原子与原子结合的共价键电子及单个原子、离子核外的电子，从基态被激发跃迁到激发态轨道时稳定时间很短，会迅速返回基态，这时就会激发出电磁波，这个电磁波的频率非常更高，一般在红外到可见光的频率范围。这从无线电(磁)波产生原理看，分子、原子、离子相当于更小的LC谐振器。

如图五所示，这是二氧化碳气体分子激光器原理图。

图五、激光原理

二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质，玻璃或石英材料管里面充以CO2气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮气等），管子内部激励电极用镍制空心圆筒，通过高压放电使得二氧化碳气体分子产生大量自激发（频率范围连续）光和部分受激发射光（频率单一），光学谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化镓磨制的半反射镜。CO2气体分子受激发出的光波在谐振腔两端反光镜之间来回反射形成驻波，未激发的CO2气体分子吸收后再产生受激发射光，激光就成数倍放大，一部分未反射的激光会从半透镜中输出成为工作激光。

从原理看，谐振腔两端反光镜是相当于无线电波的反馈电路，锁定输入的能量的频率，光学腔同时是能量共振激发输入器，使得二氧化碳分子获得激发能量。

综上所述，光一定是电磁波，光如果是粒子就根本无法解释激光的产生，光粒子在气体分子中无序的碰撞显然无法碰撞出有序的光子。这也说明所谓单个“光子”，只不过是一个电子激发的最小能量单位电磁波脉冲，其本质也是电磁波。

我们从无线电波到激光可以发现，它们之所以都属于电磁波，一个共同的特点是都与电子受激发射有关。无线电波中电子从高能态到低能态对应的是从电容的负极到正极，电子走过的线路越短（电感越小），速度越快（电容越低）激发的频率越高。

所以要获得超高频无线电波如微波，就必须用磁控管这样的器材，通过高速旋转的电子穿过微小的电容，电子从高能态到低能态路径更短，速度越快，发射的电磁波频率更高。

激光的频率比微波更高，就必须用原子核外的电子轨道跃迁来获得。原子半径非常小，原子核外电子轨道间路径更短，所以激发获得的电磁波频率更高，电子激发所需能量也更高（E=hv），因此，原子核外电子激发的电磁波一般都是人类眼睛可见的可见光。

二氧化碳气体分子激光之所以在频率较低的红外波段，是因为二氧化碳（CO2）气体分子是一个碳和二个氧原子组成的分子，由于碳和氧共价的电子处在两个原子中间，所以相比一个原子核的半径要大。电子离开原子核更远，电子运动速度就越慢，相邻轨道间距离也更大，激发态所需能级更小，所以二氧化碳分子激发的激光频率在频率较低的红外波段。而用单个原子做激发，激光频率一般在可见光范围。

要获得频率更高的X射线或X射线激光，就无法用原子核外层电子轨道跃迁激发获得，必须用高速的电子轰击原子的内层轨道电子，内层电子轨道半径更小，相邻轨道间距离更短，电子运动速度更快，电子被击中时弹跳到高能级轨道返回到低能态的用时更短，所以激发的电磁波频率更高，因此才能获得高能X射线。

比X射线更高的伽马射线已经无法用电子轨道跃迁获得，这就必须用距离更短，速度能量更大的原子核中质子、中子的跃迁或分裂中获得。原子核衰变和核反应时，新获得的原子核处于高能态，它转到稳定的低能态时就会产生伽马射线。

那么还有比伽马射线能量更高的射线吗？

根据以上原理，这一定发生在黑洞内部物质，因为黑洞物质内部间距更小，一旦激发能量更大，它会激发出宇宙中能量终极的射线。所以可推测，黑洞与黑洞碰撞时有可能会爆发出比伽马射线能量更高的黑洞射线。