自然界的激光 – 闪新闻

自然界是否存在天然的激光？

不仅存在，而且还有很多种花样！

我最近才发现这件事。在上面的问答中，我主要介绍了自己比较熟悉的「激微波」——即以微波形式辐射的激光。激微波（maser）是一类比较常见的自然激光，因为它的光子能量比较低，所以形成激光所需要的「粒子数反转」状态会比较容易实现。

形成激光的必要条件

粒子从高能量（态 2）跃迁到低能量（态 1），变化的能量会以光的形式辐射出来。在热力学平衡的状态（即普通状态）下，大部分粒子都会处在能量较低的状态。1 和 2 的粒子数的比例，符合规律：

$\frac{n_2}{n_1} \sim \exp\Big(-\frac{E_2-E_1}{kT}\Big) <1 \$

这叫玻尔兹曼分布。而 $E_2-E_1 = h\nu$ 就是光子携带的能量，它与光的频率相对应。

要形成激光，它需要把这个粒子数的比例反转过来，让能量高的 2 状态粒子比 1 状态粒子还要多得多，这样，「受激辐射」就能持续进行了。

可以看出，当跃迁对应的光子能量很低，处在微波阶段的时候， $h\nu / kT \leq 1$ 。在室温 300 K 的温度下，这个条件对应的截止频率/波长约为 $\nu \leq kT/h \approx 6.2\text{ THz} \sim 48 \text{ μm}$ 。也就是说，对于波长长于 50 微米的光来说，普通状态下 $n_2$ 和 $n_1$ 的数量差别本来就不太大。那只要有比较温和的条件，比如其他高能量粒子的碰撞，就能把一部分粒子撞到 2 状态上面，让粒子数产生反转。

可见光的波长是 0.4-0.7 微米，红外线要长一些。近红外和中红外的波长一直延长到 15 微米，而远红外的定义通常从 15 微米一直覆盖到 1 毫米，过渡到微波。

通常意义上所说的激光，指的是紫外线一直到中红外段的激光。这些波长的光对应的能量，已经远远大于 kT。因此，普通状态下，处在高能量的粒子要比处在低能量的粒子少得多（不到 10%）。因此，大家（包括我）通常觉得除了人为控制，很难在自然界找到能够填补高能量状态粒子数量的环境，也就很难找到天然的红外激光和可见光激光了。

不过，大自然的鬼斧神工总能让人惊叹。大自然的环境，创造出了两大类中红外激光，一类就在我们身边，一类则在遥远的星空。

1. 行星大气中的二氧化碳激光（CO2 laser）

离我们近在咫尺的天然红外激光，就是大气中的二氧化碳激光。NASA 的科学家 Michael J. Mumma 等人最早从火星的中层大气中发现了这种激光（Mumma et al. 1981），因为火星大气绝大部分都是二氧化碳。随后，在金星和地球的中层大气中也发现了同样的激光（Deming et al. 1983, Shved & Ogibalov 2000）。这些激光与二氧化碳分子的振动有关。

火星大气中的二氧化碳激光（中央深灰色部分）。Deming et al 1983.

二氧化碳分子有三个振动模式：对称伸缩振动、反对称伸缩振动和弯曲振动。这三种振动模式是相互独立的，可以分别被激发。激发态可以用数字 0, 1, 2…… 来标记，数字越大，能量越高。所以， $(0, 0, 0)$ 就是三个振动都没被激发的状态，是「基态」。 $(1, 0, 0)$ 表示对称伸缩振动被激发了一个量子， $(0, 1, 0)$ 表示弯曲振动被激发了一个量子，而 $(0,0,1)$ 表示反对称伸缩振动被激发了一个量子。这个振动模式的排位顺序是文献里约定俗成的。

二氧化碳的三种振动模式。括号里的数字表示该振动在 (0, 0, 0) 这种约定记号中所排的顺序。

行星科学家们观测到的二氧化碳激光，来自于 $(0,0,1)\rightarrow(1,0,0)$ 的跃迁——从反对称伸缩振动跃迁到对称伸缩振动。它的波长在 10 微米。在实验室中，同样的激光被用于金属切割和微创手术。

实验室中使用的 10 微米二氧化碳激光器。红外线具有强烈的热效应。画面右侧的纸片被激光点燃了。

那么，在行星的大气中，这 10 微米的红外激光是如何形成的呢？

火星和金星大气的化学成分比较类似，绝大部分都是二氧化碳。所以这两颗行星的情形比较类似。首批观测到这些自然激光的科学家给出一个比较简化的解释。

在大气中，分子改变振动的能量主要依靠两种途径：吸收、辐射光，以及分子间的碰撞。二氧化碳是温室气体，它会强烈的吸收太阳光。二氧化碳分子可以有效吸收阳光中 4.3 微米和 2.7 微米的红外光成分，激发对应的振动模式 $(0,0,1)$ 和 $(1,0,1)$ 。然后，被激发的二氧化碳分子，和大气中的其他二氧化碳分子发生碰撞，会发生能量转移，变到其他的振动态上面。在同一个振动模式上的能量变化，比如 $(1,0,1)\rightarrow(0,0,1)$ 和 $(1,0,1)\rightarrow(1,0,0)$ ，这种变化只是改变分子在一种振动模式上的能量，因此速度比较快。而从反对称伸缩振动变成对称伸缩振动 $(0,0,1)\rightarrow(1,0,0)$ ，这好比二氧化碳要把自己的头扭过来朝相反的方向振动，就很慢。这一快一慢，就可以造成 $(0,0,1)$ 态上的二氧化碳最终要比 $(1,0,0)$ 上的多。于是，激光就形成了。

既然如此，为什么我们在地面上没被二氧化碳激光烤焦呢？这是因为，这样一个形成 10 微米二氧化碳激光的模式，只能在大气比较稀薄的时候才能形成。在地表附近，分子的密度实在是太大了，相互碰撞太频繁，使得像 $(0,0,1)\rightarrow(1,0,0)$ 这样的碰撞过程也发生得足够快。所有的振动能级之间都能通过分子碰撞不断地交换能量，最终就变成了热力学平衡的状态。而在大气的中间层，分子的密度不大不小，正好可以把碰撞过程中的速度快慢拉开差距。

火星、金星大气中的二氧化碳激光的形成过程（简化版）Deming &amp;amp;amp;amp; Mumma 1983.

地球大气的成分比火星、金星更为复杂。在地球大气的中间层，还有两个过程在不断形成 $(0,0,1)$ 态的二氧化碳分子。它们借助的是氮气分子。氮气分子只含有两个原子，所以它只有一种振动。不过巧的是，它的第一个振动能级，正好和二氧化碳的 $(0,0,1)$ 能量差不多，在 4.2 微米附近。因为能量相近，所以振动着的氮气分子碰撞到二氧化碳分子的时候，很容易把这个能量给传递过去，把二氧化碳分子激发到 $(0,0,1)$ 的态。这正是 10 微米激光所需要的态。

氮气并不是温室气体，本身并不怎么吸收阳光中的红外线。那振动着的氮气分子从何而来呢？它们一部分是来自于吸收了更多阳光能量的二氧化碳分子，相互之间碰撞并交换了能量。另一个主要来源，则是臭氧层中的化学反应：阳光中的紫外线会把臭氧分解为氧气。这个光解过程中会释放出很活泼的氧原子激发态 $\text{O}(^1D)$ 。它和氮气的碰撞，可以激发氮气的振动。（Shved & Ogibalov 2000）

2. 星际空间中的氢离子复合激光（Hydrogen recombination laser）

氢离子复合激光自于宇宙中最丰富的原子：氢。它的形成机理要比上面的二氧化碳激光简单，但是却很难观测到。

这些激光来自于氢离子和电子的复合。宇宙中的很多地方都会有强烈的高能紫外线和 X 射线，比如初生的大质量恒星附近。这些波长小于 91.4 纳米的高能光线，能够把氢原子中的电子打出去，电离成氢离子。这会形成叫做「氢电离区」的区域，其中大部分氢元素都以离子的形式存在。

但是电荷守恒，那些被电离出去的电子，变成自由电子，也在氢电离区里面游荡。当它们再次遇上氢离子的时候，觉得还是待在一起比较好，就重新结合了。这就是「复合」。所谓小别胜新欢呐，刚复合的氢原子，能量非常高。当它试图把能量辐射出去，回到能量较低的状态时，就形成激光。

氢离子复合激光能够形成，主要靠得就是恒星这种强大的电离源。在氢电离区中，恒星的辐射源源不断地把氢原子电离掉，使得低能量的氢原子数目几乎为零。这样，一旦有电子和氢离子复合，它们形成的高能量氢原子，数目就比低能量的多，形成激光所需要的粒子数反转条件。

氢离子复合激光是一系列的激光。如果你还记得高中物理中的「里德堡公式」：

$\frac{1}{\lambda} = R\Big(\frac{1}{n_1^2-n_2^2}\Big) \$

这个就是氢离子复合激光所在的系列。里德堡公式里， $n_2$ 可以是比 $n_1$ 大的任意整数。而氢离子复合激光是其中 $n_2=n_1+1$ 的系列——这个系列叫做氢的 α 系列。 $n_1=1,n_2=2$ 的时候，就是著名的莱曼-α线（波长 121.6 纳米）。 $n_1=2, 3, 4\ldots$ 根据历史上发现它们的科学家的名字，也分别叫做巴耳末-α（656.3 纳米）、帕邢-α（1.875 微米）、布拉克特-α（4.05 微米）等等……

从布拉克特-α 开始，这些氢-α 线就进入红外线的范围了。从 $n_1=5$ （7.46 微米）开始，一直到 $n_1\approx40$ （3 毫米），这一整个红外到微波的范围内，都观察到了氢 α 线的激光。

MWC 349A 中观测到的氢离子复合激光。横轴是 n1，纵轴是光放大的倍数，大于 1 的都是激光。（Thum et al. 1998）

虽然听起来很容易，但实际上，氢离子复合激光对氢电离区的电子密度和温度非常的敏感。每一条激光跃迁，都需要一个恰到好处的电子密度和温度，才能构成粒子数反转的情况。而且，自然界没有镜子，符合条件的电离区需要足够广阔，才能让光有足够的空间放大自己的能量，最终辐射出激光（Strelnitski et al. 1996）。因此，实际观测到的氢离子复合激光并不多。MWC 349A 是一个运气非常好的情况。

MWC 349 是一个位于天鹅座内，距离我们 4560 光年的一个双星系统，A 是其中的一颗恒星。它是一颗巨大的蓝超巨星。MWC 349A 猛烈地向周围的空间喷射物质，形成了一个巨大的星周盘。而且因为它的表面温度非常高、辐射也非常强，这个星周盘基本都被电离了，形成一个密度很大、温度很高的氢电离区。运气更好的是，这个星周盘的盘面，边缘正对着地球。从地球上看过去，这个星周盘就是一个扁扁的橄榄，我们的视线，需要穿过长长的盘面——这正好给氢离子复合激光提供了足够的光程来增强自己的能量。

没有找到 MWC 349A 的图片，下面是一个类似的恒星星周盘 HD 15115.

星周盘想象图（HD 15115）http://hubblesite.org/image/3438/news/77-stellar-disks

除了大质量恒星周围的星周盘，其他天体中也有可能产生氢离子复合激光。最近，天文学家使用赫歇尔空间望远镜，在「蚂蚁星云」中也观测到了氢离子复合激光（Aleman et al., 2018）。蚂蚁星云又叫 Mz 3，位于矩尺座，距离我们约 8000 光年，是一个行星状星云。行星状星云由行将就木的恒星抛射出的物质形成的，也存在大量被电离的氢。

参考文献

I. Aleman et al., (2018). Herschel Planetary Nebula Survey (HerPlaNS): Hydrogen Recombination Laser Lines in Mz 3. Monthly Notices of Royal Astronomical Society, 477, 4499–4510.
D. Deming et al., (1983). Observations of the 10-μm Natural Laser Emission from the Mesospheres of Mars and Venus. Icarus, 55, 347–355.
D. Deming & M. J. Mumma (1983). Modeling of the 10-μm Natural Laser Emission from the Mesospheres of Mars and Venus. Icarus, 55, 356–368.
M. J. Mumma et al., (1981). Discovery of Natural Gain Amplification in the 10-Micrometer Carbon Dioxide Laser Bands on Mars: A Natural Laser. Science, 212, 45–49.
G. M. Shved & V. P. Ogibalov (2000). Natural population inversion for the CO2 vibrational states in Earth’s atmosphere. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 62, 993–997.
V. S. Strelnitski et al., (1996). Hydorgen Masers. I. Theory and Prospects. The Astrophyiscal Journal, 470, 1118–1133.
C. Thum et al., (1998). Infrared lasers in the circumstellar disk of MWC 349. Astronomy and Astrophysics, 333, L63–L66.

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：Luyao Zou

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