🚣🏾 🛰️ 🥔 向Ethan＃35问：激光器是否有功率限制？ 🔱 🥧 🕕

读者问：

5年前，我向大学的光学老师问了这个问题，但他没有回答。然后，我们研究了激光器和光学谐振器。我想知道有多少光子可以泵入谐振器？它们的密度有限制吗？如果超出此限制会怎样？

让我们从头开始-从原子开始。

您可能知道，原子是一个带正电的原子核，周围有几个电子。电子可以处于有限数量的不同配置中，其中只有一种是最优化和最稳定的：具有最低能量的状态。

如果原子根据需要被激发，其电子构型将改变并且可以达到更高能量的水平，即进入兴奋状态。在其他条件相同的情况下，此状态会立即或逐步自发地退化为稳定状态。在这种情况下，将发射严格定义能量的一个或多个光子。

这就是单个原子的工作方式。但基本上，物质由许多相互连接的原子组成。而且，各种形式的物质，晶体和气体的多样性都是惊人的（尽管它是有限的）。

但是，它们每个都有一定数量的电子和能态占据。如果您可以向系统添加能量并激发一个或多个电子，则可以使其以一定频率发射。而且，如果以某种受控方式激发系统，则可以使它每次以相同的频率，波长和方向发射辐射。然后我们得到了激光。

LASER是首字母缩写词，意思是“通过受激辐射的光放大”-“通过受激辐射的光放大”。尽管实际上没有收益发生。电子在激发态和非激发态之间或在两个激发态之间振荡。但是由于某种原因，不想使用受激辐射的光振荡（LOSER）。

但是自发发射非常重要。

如果您从许多原子或分子中得出它们进入相同的激发态，然后以最小的能量激发它们自发返回状态，它们将以相同的能量发射光子。这些跃迁发生得非常快（但不是无限快），因此从理论上讲，原子跳入激发态并发射光子的速度是有限的。系统需要时间才能重新引导。

通常，使用气体，晶体或其他分子材料在空腔中产生激光。但这不是唯一的方法！

可以使用自由电子，半导体，光纤甚至可能是正电子来制造激光。辐射的范围可能从超长无线电波到短X射线，甚至从理论上到伽马辐射都不同。类似的过程甚至可以在太空中自然发生。通常，它们发生在微波上相干移动的云中。但是其中一些现象很可能会达到一种状态，在这种状态下，它们会发出可见的激光束。

随着技术的发展，激光辐射功率增加，并且仅受现代技术的实际范围的限制。有人可能会对激光器产生的光子数量存在根本的限制感到好奇，因为可以被挤入给定空间部分的电子数量受到限制。

在量子力学中，有保利原理，该原理说两个或更多个相同的费米子不能同时处于相同的量子态。但是，此原理仅适用于自旋为半整数的粒子，如电子或夸克：±1/2，±3/2，±5/2。对于具有整体自旋的粒子，处于相同状态没有任何限制。

因此，“普通物质”在太空中占有一定地位。但是，并非所有事物都遵守该规则。

光子是由不同激光器发射的粒子，其自旋为±1，因此从理论上讲，您可以将任意数量的光子推入有限的空间。

从理论上讲，这是非常重要的，因为如果您能提出正确的技术，则对您获得的功能没有任何限制！

几乎所有带有谐振器的激光器都以最大功率工作，但是对所用材料有实际的限制。原则上，如果您使用足够强大的激光并通过反射镜创建一个大的光学谐振器，并使其中一个反射镜可移动，则可以将发出的光压缩到黑洞的状态。

因此实际上存在局限性。但从理论上讲，它仅与所使用的物理材料有关。我们找到和使用的更好和更完美的材料，可以不受任何限制地实现更高的能量密度。

更新：物理学家撰写自己博客的Chad Orzel认为，尽管对最终光子的能量没有任何限制，但在某个时刻（大约在光子达到1 MeV时），当光子与反射表面相互作用时，您将自发地建立材料-反物质对。因此，在高能量下，您的激光将变成充满物质和反物质的桑拿浴室，而不仅仅是相干光。因此，这很可能会限制激光功率。抱歉，但显然您无法以这种方式制造黑洞。

向Ethan＃35问：激光器是否有功率限制？

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