自然界的激光

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自然界的激光

來自專欄熬一鍋天體化學濃湯53 人贊了文章

自然界是否存在天然的激光？

不僅存在，而且還有很多種花樣！

我最近才發現這件事。在上面的問答中，我主要介紹了自己比較熟悉的「激微波」——即以微波形式輻射的激光。激微波（maser）是一類比較常見的自然激光，因為它的光子能量比較低，所以形成激光所需要的「粒子數反轉」狀態會比較容易實現。

形成激光的必要條件

粒子從高能量（態 2）躍遷到低能量（態 1），變化的能量會以光的形式輻射出來。在熱力學平衡的狀態（即普通狀態）下，大部分粒子都會處在能量較低的狀態。1 和 2 的粒子數的比例，符合規律：

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

這叫玻爾茲曼分布。而 $E_2-E_1 = h u$ 就是光子攜帶的能量，它與光的頻率相對應。

要形成激光，它需要把這個粒子數的比例反轉過來，讓能量高的 2 狀態粒子比 1 狀態粒子還要多得多，這樣，「受激輻射」就能持續進行了。

可以看出，當躍遷對應的光子能量很低，處在微波階段的時候， $h u / kT leq 1$ 。在室溫 300 K 的溫度下，這個條件對應的截止頻率/波長約為 $u leq kT/h approx 6.2 ext{ THz} sim 48 ext{ μm}$ 。也就是說，對於波長長於 50 微米的光來說，普通狀態下 $n_2$ 和 $n_1$ 的數量差別本來就不太大。那隻要有比較溫和的條件，比如其他高能量粒子的碰撞，就能把一部分粒子撞到 2 狀態上面，讓粒子數產生反轉。

吸收、自發輻射和受激輻射

可見光的波長是 0.4-0.7 微米，紅外線要長一些。近紅外和中紅外的波長一直延長到 15 微米，而遠紅外的定義通常從 15 微米一直覆蓋到 1 毫米，過渡到微波。

通常意義上所說的激光，指的是紫外線一直到中紅外段的激光。這些波長的光對應的能量，已經遠遠大於 kT。因此，普通狀態下，處在高能量的粒子要比處在低能量的粒子少得多（不到 10%）。因此，大家（包括我）通常覺得除了人為控制，很難在自然界找到能夠填補高能量狀態粒子數量的環境，也就很難找到天然的紅外激光和可見光激光了。

不過，大自然的鬼斧神工總能讓人驚嘆。大自然的環境，創造出了兩大類中紅外激光，一類就在我們身邊，一類則在遙遠的星空。

1. 行星大氣中的二氧化碳激光（CO2 laser）

離我們近在咫尺的天然紅外激光，就是大氣中的二氧化碳激光。NASA 的科學家 Michael J. Mumma 等人最早從火星的中層大氣中發現了這種激光（Mumma et al. 1981），因為火星大氣絕大部分都是二氧化碳。隨後，在金星和地球的中層大氣中也發現了同樣的激光（Deming et al. 1983, Shved & Ogibalov 2000）。這些激光與二氧化碳分子的振動有關。

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

二氧化碳分子有三個振動模式：對稱伸縮振動、反對稱伸縮振動和彎曲振動。這三種振動模式是相互獨立的，可以分別被激發。激發態可以用數字 0, 1, 2…… 來標記，數字越大，能量越高。所以， $(0, 0, 0)$ 就是三個振動都沒被激發的狀態，是「基態」。 $(1, 0, 0)$ 表示對稱伸縮振動被激發了一個量子， $(0, 1, 0)$ 表示彎曲振動被激發了一個量子，而 $(0,0,1)$ 表示反對稱伸縮振動被激發了一個量子。這個振動模式的排位順序是文獻里約定俗成的。

二氧化碳的三種振動模式。括弧里的數字表示該振動在 (0, 0, 0) 這種約定記號中所排的順序。

行星科學家們觀測到的二氧化碳激光，來自於 $(0,0,1) ightarrow(1,0,0)$ 的躍遷——從反對稱伸縮振動躍遷到對稱伸縮振動。它的波長在 10 微米。在實驗室中，同樣的激光被用於金屬切割和微創手術。

實驗室中使用的 10 微米二氧化碳激光器。紅外線具有強烈的熱效應。畫面右側的紙片被激光點燃了。

那麼，在行星的大氣中，這 10 微米的紅外激光是如何形成的呢？

火星和金星大氣的化學成分比較類似，絕大部分都是二氧化碳。所以這兩顆行星的情形比較類似。首批觀測到這些自然激光的科學家給出一個比較簡化的解釋。

在大氣中，分子改變振動的能量主要依靠兩種途徑：吸收、輻射光，以及分子間的碰撞。二氧化碳是溫室氣體，它會強烈的吸收太陽光。二氧化碳分子可以有效吸收陽光中 4.3 微米和 2.7 微米的紅外光成分，激發對應的振動模式 $(0,0,1)$ 和 $(1,0,1)$ 。然後，被激發的二氧化碳分子，和大氣中的其他二氧化碳分子發生碰撞，會發生能量轉移，變到其他的振動態上面。在同一個振動模式上的能量變化，比如 $(1,0,1) ightarrow(0,0,1)$ 和 $(1,0,1) ightarrow(1,0,0)$ ，這種變化只是改變分子在一種振動模式上的能量，因此速度比較快。而從反對稱伸縮振動變成對稱伸縮振動 $(0,0,1) ightarrow(1,0,0)$ ，這好比二氧化碳要把自己的頭扭過來朝相反的方向振動，就很慢。這一快一慢，就可以造成 $(0,0,1)$ 態上的二氧化碳最終要比 $(1,0,0)$ 上的多。於是，激光就形成了。

既然如此，為什麼我們在地面上沒被二氧化碳激光烤焦呢？這是因為，這樣一個形成 10 微米二氧化碳激光的模式，只能在大氣比較稀薄的時候才能形成。在地表附近，分子的密度實在是太大了，相互碰撞太頻繁，使得像 $(0,0,1) ightarrow(1,0,0)$ 這樣的碰撞過程也發生得足夠快。所有的振動能級之間都能通過分子碰撞不斷地交換能量，最終就變成了熱力學平衡的狀態。而在大氣的中間層，分子的密度不大不小，正好可以把碰撞過程中的速度快慢拉開差距。

火星、金星大氣中的二氧化碳激光的形成過程（簡化版）Deming &amp;amp;amp;amp; Mumma 1983.

地球大氣的成分比火星、金星更為複雜。在地球大氣的中間層，還有兩個過程在不斷形成 $(0,0,1)$ 態的二氧化碳分子。它們藉助的是氮氣分子。氮氣分子只含有兩個原子，所以它只有一種振動。不過巧的是，它的第一個振動能級，正好和二氧化碳的 $(0,0,1)$ 能量差不多，在 4.2 微米附近。因為能量相近，所以振動著的氮氣分子碰撞到二氧化碳分子的時候，很容易把這個能量給傳遞過去，把二氧化碳分子激發到 $(0,0,1)$ 的態。這正是 10 微米激光所需要的態。

氮氣並不是溫室氣體，本身並不怎麼吸收陽光中的紅外線。那振動著的氮氣分子從何而來呢？它們一部分是來自於吸收了更多陽光能量的二氧化碳分子，相互之間碰撞並交換了能量。另一個主要來源，則是臭氧層中的化學反應：陽光中的紫外線會把臭氧分解為氧氣。這個光解過程中會釋放出很活潑的氧原子激發態 $ext{O}(^1D)$ 。它和氮氣的碰撞，可以激發氮氣的振動。（Shved & Ogibalov 2000）

2. 星際空間中的氫離子複合激光（Hydrogen recombination laser）

氫離子複合激光自於宇宙中最豐富的原子：氫。它的形成機理要比上面的二氧化碳激光簡單，但是卻很難觀測到。

這些激光來自於氫離子和電子的複合。宇宙中的很多地方都會有強烈的高能紫外線和 X 射線，比如初生的大質量恆星附近。這些波長小於 91.4 納米的高能光線，能夠把氫原子中的電子打出去，電離成氫離子。這會形成叫做「氫電離區」的區域，其中大部分氫元素都以離子的形式存在。

但是電荷守恆，那些被電離出去的電子，變成自由電子，也在氫電離區裡面遊盪。當它們再次遇上氫離子的時候，覺得還是待在一起比較好，就重新結合了。這就是「複合」。所謂小別勝新歡吶，剛複合的氫原子，能量非常高。當它試圖把能量輻射出去，回到能量較低的狀態時，就形成激光。

氫離子複合激光能夠形成，主要靠得就是恆星這種強大的電離源。在氫電離區中，恆星的輻射源源不斷地把氫原子電離掉，使得低能量的氫原子數目幾乎為零。這樣，一旦有電子和氫離子複合，它們形成的高能量氫原子，數目就比低能量的多，形成激光所需要的粒子數反轉條件。

氫離子複合激光是一系列的激光。如果你還記得高中物理中的「里德堡公式」：

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

這個就是氫離子複合激光所在的系列。里德堡公式里， $n_2$ 可以是比 $n_1$ 大的任意整數。而氫離子複合激光是其中 $n_2=n_1+1$ 的系列——這個系列叫做氫的 α 系列。 $n_1=1,n_2=2$ 的時候，就是著名的萊曼-α線（波長 121.6 納米）。 $n_1=2, 3, 4ldots$ 根據歷史上發現它們的科學家的名字，也分別叫做巴耳末-α（656.3 納米）、帕邢-α（1.875 微米）、布拉克特-α（4.05 微米）等等……

氫-α 線

從布拉克特-α 開始，這些氫-α 線就進入紅外線的範圍了。從 $n_1=5$ （7.46 微米）開始，一直到 $n_1approx40$ （3 毫米），這一整個紅外到微波的範圍內，都觀察到了氫 α 線的激光。

MWC 349A 中觀測到的氫離子複合激光。橫軸是 n1，縱軸是光放大的倍數，大於 1 的都是激光。（Thum et al. 1998）

雖然聽起來很容易，但實際上，氫離子複合激光對氫電離區的電子密度和溫度非常的敏感。每一條激光躍遷，都需要一個恰到好處的電子密度和溫度，才能構成粒子數反轉的情況。而且，自然界沒有鏡子，符合條件的電離區需要足夠廣闊，才能讓光有足夠的空間放大自己的能量，最終輻射出激光（Strelnitski et al. 1996）。因此，實際觀測到的氫離子複合激光並不多。MWC 349A 是一個運氣非常好的情況。

MWC 349 是一個位於天鵝座內，距離我們 4560 光年的一個雙星系統，A 是其中的一顆恆星。它是一顆巨大的藍超巨星。MWC 349A 猛烈地向周圍的空間噴射物質，形成了一個巨大的星周盤。而且因為它的表面溫度非常高、輻射也非常強，這個星周盤基本都被電離了，形成一個密度很大、溫度很高的氫電離區。運氣更好的是，這個星周盤的盤面，邊緣正對著地球。從地球上看過去，這個星周盤就是一個扁扁的橄欖，我們的視線，需要穿過長長的盤面——這正好給氫離子複合激光提供了足夠的光程來增強自己的能量。

沒有找到 MWC 349A 的圖片，下面是一個類似的恆星星周盤 HD 15115.

星周盤想像圖（HD 15115）http://hubblesite.org/image/3438/news/77-stellar-disks

除了大質量恆星周圍的星周盤，其他天體中也有可能產生氫離子複合激光。最近，天文學家使用赫歇爾空間望遠鏡，在「螞蟻星雲」中也觀測到了氫離子複合激光（Aleman et al., 2018）。螞蟻星雲又叫 Mz 3，位於矩尺座，距離我們約 8000 光年，是一個行星狀星雲。行星狀星雲由行將就木的恆星拋射出的物質形成的，也存在大量被電離的氫。

螞蟻星雲 Mz 3

參考文獻

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 Earths 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.