雞尾酒還能造激光？科學(xué)家手把手教你如何用金湯力制作一臺(tái)激光器

制造一臺(tái)液體激光器需要極大的耐心，但它的成果可能是世界上最酷的魔術(shù)：只要給予足夠集中的能量，一杯平凡的琴酒加奎寧水（金湯力），就能從一款普通飲品變身為最炫酷、最具未來(lái)感的雞尾酒。

1969年的夏天。紐約州羅切斯特的一群科學(xué)家正準(zhǔn)備啟動(dòng)一臺(tái)實(shí)驗(yàn)激光器。一切設(shè)備都已就緒——冷卻系統(tǒng)確保機(jī)器不會(huì)過(guò)熱，警示燈亮起提醒他人遠(yuǎn)離。那原本是激光實(shí)驗(yàn)室中再普通不過(guò)的一天，除了一個(gè)令人驚訝的事實(shí)：這臺(tái)激光器其實(shí)就是一杯金湯力。

▲鐳射激光

“我多年來(lái)一直聽(tīng)說(shuō)過(guò)‘金湯力激光器’的傳聞，”激光研究員史蒂芬·威爾克說(shuō)道，“但始終找不到確鑿的資料。”2009年，他在《光學(xué)與光子學(xué)新聞》上發(fā)表了一篇關(guān)于“可食用激光”歷史的論文。最終，他追溯到一則1969年6月伊士曼·柯達(dá)公司的廣告，廣告中打趣地宣稱他們用某知名品牌的奎寧水造出了一臺(tái)激光器。

這則廣告邀請(qǐng)那些對(duì)制作屬于自己液體激光器感興趣的“有抱負(fù)的年輕人”，聯(lián)系當(dāng)時(shí)在柯達(dá)公司工作的布魯斯·伯迪克，以便親手嘗試制造自己的液體激光器。如今伯迪克已退休，雖記不清那臺(tái)“琴酒激光器”的具體過(guò)程，但仍記得撰寫那則吸睛文案的廣告人。“傳播部門的沃爾特·利普曼真是個(gè)用詞高手，”伯迪克笑著說(shuō)。這則廣告的目的，是為了在公眾中激起對(duì)激光的興趣——畢竟，那時(shí)激光才問(wèn)世九年。“那時(shí)候，人們對(duì)激光的應(yīng)用遠(yuǎn)不如今天這么熟悉。”伯迪克補(bǔ)充道。

能量可以通過(guò)無(wú)數(shù)種方式被轉(zhuǎn)化為相干光子，而激光的形態(tài)、材料和尺寸也千差萬(wàn)別。要讓某種物質(zhì)發(fā)出激光，就必須了解它的原子結(jié)構(gòu)——正是這種結(jié)構(gòu)決定了需要何種能量來(lái)“點(diǎn)燃”它。激光科學(xué)家們一直夢(mèng)想發(fā)現(xiàn)新的激光介質(zhì)——無(wú)論是氣體、固體，還是液體。可食用激光領(lǐng)域的先驅(qū)西奧多·漢施曾說(shuō)過(guò)：“只要能量夠強(qiáng)，任何東西都能產(chǎn)生激光。”為了證明這一點(diǎn)，他在1970年與阿瑟·肖洛合作，用明膠與染料的混合物制造出了一臺(tái)激光器。

▲西奧多·漢施，德國(guó)馬克斯-普朗克量子光學(xué)研究所研究員，2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

至于金湯力激光，另一個(gè)重要的里程碑出現(xiàn)在1975年的美國(guó)科羅拉多州博爾德市。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們用伏特加、朗姆酒和琴酒制作出了液體激光器——但它們的輸出功率微乎其微。研究人員在《IEEE量子電子學(xué)期刊》中打趣寫道：“乙醇還有更好的用處。”

近幾十年來(lái)，“琴酒激光器”的研究并沒(méi)有取得太大進(jìn)展，但這段液體傳奇依然流傳著，等待今天的有好奇心、有創(chuàng)造精神的成年人去重新挑戰(zhàn)。即使取得成功，也不太可能讓你獲得諾貝爾獎(jiǎng)（狗頭），但或許能助你在激光物理的科研之路上更進(jìn)一步。以下是嘗試復(fù)現(xiàn)它的幾個(gè)關(guān)鍵步驟。

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第一步：能量

激光運(yùn)作需要能量，但它可不是插上插頭就能啟動(dòng)的機(jī)器。琴酒激光必須由另一臺(tái)激光器泵浦（提供能量）。1975年博爾德的實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用一臺(tái)功率為20瓦的二氧化碳激光器直接照射琴酒——這比常見(jiàn)的0.05瓦激光筆強(qiáng)4000倍。二氧化碳激光器常被用于醫(yī)療手術(shù)，如激光眼科和皮膚修復(fù)治療。你可以花幾千美元買一臺(tái)二手的，也可以在地下室組裝廉價(jià)版。不幸的是，正如研究者指出的那樣，琴酒并不是理想的激光介質(zhì)：即便使用20瓦的激光泵浦，也只能得到0.00001瓦的相干光輸出。

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第二步：反射

每一臺(tái)激光器都有兩面鏡子，用于在增益介質(zhì)中困住能量——這里的介質(zhì)，就是琴酒與奎寧水。博爾德的研究者在一根銅管的兩端各放置一面銅鏡，使能量在其中反射累積，直到分子被激發(fā)到足以釋放光子的狀態(tài)。鏡面上開(kāi)了一個(gè)小孔，激光光線便能從中射出。琴酒產(chǎn)生的是波長(zhǎng)約393微米的遠(yuǎn)紅外光，對(duì)人眼而言完全不可見(jiàn)，因此需要用特殊的氣體探測(cè)器才能“看見(jiàn)”這些光子。

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第三步：耦合

激光器是一種極其“挑剔”的裝置；要讓它工作，必須經(jīng)過(guò)無(wú)比精細(xì)的校準(zhǔn)。僅僅擁有能量來(lái)源和反射鏡遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠——你還需要一枚聚焦透鏡，將二氧化碳激光的光線精確耦合進(jìn)琴酒溶液中。有時(shí)，為了讓一種新材料第一次產(chǎn)生激光，研究者要花上幾天、幾周，甚至幾個(gè)月。所有組件都必須被調(diào)整到誤差不超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)——也就是幾根頭發(fā)的厚度，或你杯中氣泡的大小。

當(dāng)這三步都被完美完成后，你杯中的琴酒就會(huì)開(kāi)始“激光化”——而這一刻，你所有的細(xì)致努力都將值得。畢竟，雖然那束光微弱且不可見(jiàn)，但世上又有幾個(gè)人能說(shuō)自己“喝過(guò)一臺(tái)激光”呢？

注意：激光即便是激光筆等級(jí)的功率，也可能在長(zhǎng)時(shí)間照射下對(duì)眼睛造成傷害。任何激光實(shí)驗(yàn)都應(yīng)由受過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的人士進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)前必須了解激光的危險(xiǎn)性并佩戴合格的激光防護(hù)眼鏡。

原文鏈接：https://www.popularmechanics.com/science/energy/a6503/how-to-make-a-laser-from-a-gin-and-tonic/

編譯：呂邢嬌喆

審校：郭彥良