自然界是否存在天然的激光？

自然界，宇宙中可不可能在一些巧妙的天然結構中產生激光？
生物有可能產生或者利用激光嗎？

感謝 @狐狸先生 的回答。狐狸先生的專業知識和回答質量毋庸置疑，不過針對這個問題，我有一些不太一樣的看法想要表達。

首先，我和 @狐狸先生 一致的觀點是：如果把 maser （脈澤）看成是廣義的激光，那麼宇宙中存在非常多的 maser 源，這個問題的答案為「是」。

我存疑的地方在於： @狐狸先生 提到

但Maser環境中不像人造激光一樣存在共振腔，所以有人認為Maser還算不上「真正的激光」

但是我認為它們從原理上就是一回事。

maser 就是「受激輻射產生的微波放大，microwave amplification by stimulated emission radiation」，laser 就是「受激輻射產生的光放大，light amplification by stimulated emission」，可是 microwave 怎麼就不是 light 了呢？廣義上大家都是電磁波，在發光機制上也完全一樣，就是受激輻射。只要增益介質（gain medium）的某個輻射躍遷中較高能級（upper state）的粒子數大於較低能級（lower state）的粒子數，形成粒子數反轉（population inversion），受激輻射發出的光子數就會超過吸收的光子數，從而形成光放大（amplification）。只不過，maser 處在微波波段，通常為分子轉動能級間的躍遷；laser 最常見的是可見光，為分子的電子能級的躍遷。我更希望把 maser 叫做「激微波」，而不是一個不知所云的音譯「脈澤」；就像「激光」比「鐳射」好一樣；不過這大概是圈內約定俗成的東西了吧，也無所謂。

讀者可以注意到，在上述過程中，並沒有出現任何諧振腔（cavity）。理論上，laser 並不需要諧振腔就可以做出來。

激光工作中，有兩個相互競爭的過程，一個是受激輻射，一個是損失。受激輻射是我們想要的東西，它的速率由具體的躍遷決定：

其中 N_up - N_low 是上下能級的粒子數之差， 是自發輻射的速率。這裡，為了簡化處理，我把譜線輪廓去掉了，想看譜線輪廓的可以出門右轉：Luyao Zou：為什麼原子光譜線具有寬度？）顯然，能級粒子數差別越大，受激輻射速率越大，而通過泵浦（pump）向增益介質輸入更多地能量，就能提高這個粒子數差別；而自發輻射速率越大，受激輻射的速率越小，因為自發輻射是導致工作介質從高能級自發躍遷到低能級的途徑，它會降低我們想要的粒子數之差。這也就解釋了為什麼激光需要工作介質需要進入一個停留時間比較長的「亞穩態」作為 upper state，因為這樣，自發輻射速率低，便於我們「囤積」高能級的粒子。

損失則包含吸收損失、散射損失和鏡面損失（如果有諧振腔的話）。光並不會永遠匯聚在一點，也不是所有的光子都會被增益介質吸收，鏡子也不可能做到 100% 反射率。總的損失率可以用指數形式表示成一個總的「光學深度」

R1,R2 是鏡面的反射率（&<1)，alpha_s 是吸收損失率，alpha_r 是總損失率，l 是單程的光程。

只要損失率小於受激輻射速率，我們就有增益（gain），也就是說

即

如果沒有諧振腔，增益閾值就是 。而因為 ，有諧振腔的情況一定比不用諧振腔的情況差。而真正決定激光器是否能夠發出激光（lase）的，是這個 ，即粒子數之差，這個粒子數之差取決於泵浦的功率 P。

那為什麼還要用諧振腔呢？因為增益閾值和最終得到的輸出功率並不是一回事兒。儘管在諧振腔中，光打一個來回的增益要比沒有諧振腔稍微差那麼一丟丟，但是架不住人家可以打很多很多個來回啊！每一個來回都積累一點點增益，最後得到的輸出功率可以更高。

如果單程的增益已經非常非常大，夠用了，就不需要做諧振腔了。實際中，處在紫外波段的氮氣激光器就因為單程增益很高，常常不需要諧振腔。諧振腔，是我們為了在實驗室有限的空間中獲得足夠強的激光，製造出來的工具。

感謝 @gyroscope 的提醒：諧振腔還有一個作用是選擇頻率和模式。比如經典的氦氖激光器，其實有三個激光頻率，波長分別在 632.8 nm, 1.15 μm 和 3.39 μm，但是做激光器的諧振腔通常只會選擇其中的一個，也就是 632.8 nm 的紅光。頻率選擇的好處是可以讓輻射能量更集中。因為諧振腔的存在，自然也會有和腔體條件對應的 TEM mode，最常見的 TEM00 mode 就是高斯波束。

但是在星際空間，沒有這樣的諧振腔來選擇激微波的頻率。又因為分子的轉動能級能量間隔小，很多個激微波躍遷就會同時發生。比如，甲醇的激微波，就有 I 型和 II 型兩種，每種都有很多對上下能級和對應的頻率：

關於激光的理解，還想請 @何某某 鑒定。

回到激微波 maser。在星際空間中，星雲的尺度是以光年計的，所以單程的光程本身就非常長了。只要有一丟丟增益，最終的輸出既然正比於 ，那也能獲得很強的輻射了。

星際空間中的激微波源非常多。OH、一氧化碳、水、氨、甲醛、甲醇等分子都可以成為激微波源。它們往往預示著分子雲的聚集，並且內部可能有恆星正在形成。分子的轉動能級可以形成導致激微波形成的條件，源自分子轉動能級之間一些特殊的躍遷規則。像 OH 在 1621 MHz 的激微波，來自於 OH 同一個轉動能級，不同的自旋態形成的超精細結構之間的躍遷——它們是禁阻躍遷，所以自發輻射的速率很低。而氨和甲醇的激微波，則來轉動和內轉動（internal rotation）造成的列分的能級之間。這些能級的奇偶性（parity）不同，所以也是禁阻躍遷，就對產生受激輻射需要的粒子數翻轉條件比較有利。

謝邀。我對激光和天文中的受激輻射了解都比較淺，下面只能盡我所能講講。

宇宙中有類似激光的現象，一般在微波波段，被稱做脈澤。但細節上，脈澤和我們平時說的激光不完全一樣。

在一個原子中，電子只能處在一系列分立的能量狀態上。當一個電子從高能級躍遷到低能級，就會發出一個光子。這個光子的能量就等於電子兩個能量狀態的能量差別。一般情況，電子總是傾向於待在能量最低狀態（基態），因為這裡最穩定。如果想要讓電子到高能量狀態，原子需要其他粒子的碰撞，或者被高能量光子激發。

如果我們有一大堆原子，這些原子中，電子都恰好在同樣的高能級狀態。這時候，我們用光子去誘導這個原子系統，這一大堆電子就會都雪崩式的落向能量最低態，發出同樣頻率的（單色），相位（相干性），方向的光（同向性）。這就是激光。激光可以在極小的方向角內聚集巨大的能量，所以在今天應用非常廣泛。

http://www.hk-phy.org/articles/laser/3-states.gif

可以看到，最重要的是如何讓一大堆電子都處於相同的高能級狀態。我們已經說了，正常情況下，原子-電子系統是會待在低能狀態的。我們如果用高能光子照射原子，原子雖然會被激發，但是因為激發態不穩定，電子一般會迅速的落回基態。而且不同原子返回的基態不同步，發出的光線不單色，也不聚集。要想得到激光，需要原子具有某個「亞穩態」。這樣，當原子從高能態回到低能態的過程中，會比較長時間的待在亞穩態。這樣，才能夠讓很多原子同時處於同一個能量狀態。這種電子能態的異常狀態被稱作「布居反轉」。

以紅寶石激光器為例，紅寶石是發光體。一個輸入光源來激發紅寶石中的原子，使得大量的電子處於同一亞穩態。同時，激光器還有共振腔機制來不斷的反射光子，以便更多的原子處在較高能態。

在地球上很難存在天然激光。但在宇宙中，大量原子處於「布居反轉」的可能性是存在的。1965年，Harold Weaver和他的同事在獵戶座大星雲中發現了非常強烈的分子發射線。他們很快意識到這只不過是OH(羥基）的分子譜線，但是被極強的放大。和原子一樣，分子也會處於一系列分分立的能級上。在獵戶座大星雲的環境，恰好適合羥基的某個亞穩態能級出現布居反轉。Weaver發現的這種受激輻射現象被稱作Maser，和Laser一字之差。這是因為波段不是可見光，而是微波(Microwave)。大量其他分子的Maser也在後續的研究中被發現，水分子，甲醇分子，甚至一氧化硅分子都可能產生Maser。但Maser環境中不像人造激光一樣存在共振腔，所以有人認為Maser還算不上「真正的激光」。

第一個問題：有。

1995 年，我出生那一年。NASA 的，也是人類歷史上的第一台飛機上的天文台，柯伊伯天文台 Kuiper Airborne Observatory (KAO) 首次發現了太空中的 「天然」 激光。這個激光來自天鵝座，波長 169 μm. 當時科學家們關注的是天鵝座裡面那些圍繞著一個年輕而明亮的星星 MWC 349 的快接近點火的氣體和塵埃盤，在 50 μm 到 500 μm 之間搜索譜線。KAO 上面的一個液氦製冷的光譜儀 ( the Ames Cryogenic Grating Spectrometer ) 發現了這麼個現象。

根據美國國家航空航天博物館的老大、本事件的發現人介紹，在光譜上，這條線是同樣波長上沒有被放大的自發發射亮度的六倍。

這一自然激光的來源是這樣的：年輕的亮星產生了一發強烈的紫外線，這一紫外線照亮了環繞星星的氣態塵埃雲中的氫原子，使他們成為了激發態 (excited) 。激發態 (excited) 的氫原子被恰當波長的紅外光照射。就會受激輻射吐出同樣波長的紅外線，也就形成了激光。

在實驗室實驗中成功造出了微波和可見光波段的激光以後、也就是在本事件的超過 15 年前，人們就預言了自然激光的存在。宇宙中的自然激光，無論是可見光波段的還是微波的，都可以成為宇宙學的有價值的工具去研究諸如恆星的出生和死亡這樣的問題，因為他們的高亮度和光譜上的純度。要注意的是微波的和紅外/可見光的激光，發現難度是不一樣的。宇宙微波激光可以在地面站用特殊設備發現，但是紅外波段會被大氣吸收。不能上軌道的話，至少也要很高很高的飛機才行。

這一發現之後不久，KAO 就退役了。

ref: https://www.nasa.gov/home/hqnews/1995/95-148.txt

第二個問題：有。

不但有，甚至一個人類細胞就可以。

但是很可惜你的細胞不行。因為除了人類細胞，還需要一種水母的蛋白質 GFP.

GFP, 綠色熒光蛋白。這東西可以說是生物學界赫赫有名的東西了。通過把它的基因和想要研究的基因接在一起，就可以看出來哪個基因在工作，哪個在睡覺——亮的細胞中基因在工作。

總之，在 2011 年科學家把一個轉了基因能產生 GFP 的人類細胞放在兩面鏡子中間，通過計算搭建了一個 20 微米的光學共振腔。然後用藍色的光脈衝去照這個細胞……它就發射了激光，甚至能被肉眼看到，而且細胞沒有受傷。

相對於傳統激光來說，這一束激光很小、很弱，畢竟是單個細胞的傑作。但是它已經比自然的水母發光亮了一個數量級，是一種漂亮的綠色。

這一工作是很有用的，比如這個激光的發射譜是相關於細胞結構的，所以通過分析激光可以得到有關細胞內部的信息。另外，還會有一些醫學上的作用，比如可以探測組織的結構什麼的。

ref: Human cell becomes living laser

這個腦洞問題好！應該沒有吧。

就說諧振腔，自然界就不好找啊……最高票答案那個「自然激光」不過是ASE罷了，沒有反饋的ASE模式是天量的。不信大家測測ASE的g2/二階相關係數，絕對超過1接近2——就是說更像熱致輻射，熒光，而不是激光。

我記得當年science上有篇SPASER，人家就測了g2，就是1多一點，這才是激光。而且F. Capasso說楊培東那篇science里一堆ZnO納米線發出的是ASE～Capasso後來在APL上做的是單根納米線的激光啊，P-F腔模式很明顯的，光譜有準周期的；而ASE模式是很亂的～

當然你硬說ASE是「沒有鏡子的激光」，那我就無話可說了。好吧，我請你吃感恩節烤火雞，沒雞隻有烤果蔬，你看行不行。

但腔要是比較爛，那泵源就要足夠牛～比如隨機激光。但是隨機激光的泵源光最次也是納秒啊，頻率還要合適，增益媒質的折射率對比真空折射率要很高、增益係數要很高…

nature上多年前有人用活細胞加F-P cavity整出了激光，增益媒質是熒光蛋白。看到這個工作，生物界大概沒有超級物種能進化出激光了…

上世紀80年代在火星金星的大氣中發現了由 產生的10微米的激光，由太陽光激發。但是這種激光與通常意義的激光不同，沒有腔。

另一種自然中可能存在的結構是隨機激光（random laser），由無序的光增益材料組成。光通過多重散射構成環形腔，產生放大。因為無規則排列，也不需要諧振腔，因此可能在自然中找到。隨機激光是否是激光也存在爭議，但已經逐漸受到學界認可。

但是人們至今未找到真正滿足激光產生三要素，即增益介質，能量激勵和諧振腔的天然激光器。

至於第二個問題，生物組織在實驗室中產生激光並不是什麼新聞。一種應用是用於生物成像。

剛剛好本專業的，說點基本的吧

激光LASER，受激輻射的光放大，請注意區分受激輻射和LASER，受激輻射比較容易見到，受激輻射的光放大條件就比較嚴格了。

另一個，很多人說這個光線那個波之類的。
激光產生的原理，決定了激光區別於其他光的四種特性：單色性、相干性、方向性和高亮度。實際上，這四種特性從本質上也可以歸結為一個：激光具有很高的光子簡併度。上述幾種特性和光子簡併度這個弄清楚就不太容易混淆了。

某某人發現了某某激光，可根據激光特性來提供測量數據判定是否符合激光。