隨機雷射：在無序之中自我增強的光子
雷射是一種將光精準放大與控制的技術，因其具備單色性、方向性和相位一致性，成為眾多精密應用的必備技術，然而，科學家們並不滿足於傳統穩定結構的束縛，進一步探索光子在無序介質中的隨機散射，令人驚訝的是，光子在無序環境中竟然也能形成準直的雷射，這種現象被稱為「隨機雷射」。隨機雷射的誕生不僅降低了技術成本，還打開了探索材料微觀結構的可能性，甚至為驗證量子力學中的安德森局域化現象提供了新途徑，也就是光子在無序結構中從擴散轉向局部干涉，最終引發強烈共振的現象。在無序混亂之中，光也能找到一條讓自己綻放的路徑，讓我們一起來認識什麼是隨機雷射。
撰文｜黃鼎鈞
雷射是什麼？
雷射 (Laser) 是一種光放大與方向控制技術，其名稱源自「受激輻射放大的光」(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)，雷射的運作包含三個核心步驟：光放大、受激輻射和光學腔的回饋，首先，光源（激發光）被引入增益介質，提供能量讓電子從基態躍遷到高能態，形成粒子數反轉（高能態的電子比基態更多），當這些高能態的電子遇到其他光子（通常來自自發輻射或腔體內的反射光）時，便會被誘發釋放出具有相同波長、相位和方向的光子，這稱為受激輻射。隨後，光子在由兩個反射鏡構成的光學腔內多次反射，進一步觸發更多的受激輻射過程，最終實現光放大並產生穩定的雷射輸出。因此，雷射具備三大獨特特性：單色性（單一波長）、方向性（光束集中）以及相位一致性（波峰與波峰保持同步），這些特性讓雷射成為精密科技中的重要工具，被廣泛應用於醫療、通訊、製造等許多領域。
隨機雷射（Random Laser）：混亂讓光子更強大
雖然傳統雷射技術已相當成熟，但科學家們並不止步於此，還進一步發展了一種名為隨機雷射的新概念，這不僅是技術上的創新，更是對自然隨機性的巧妙利用。1966年，俄羅斯物理學家Vladilen Stepanovich Letokhov提出，使用具有強散射的無序材料作為增益介質也能形成雷射，在這樣的無序材料中，光會隨機散射，延長其在介質中的停留時間，如果這個材料具有增益性，這些延遲的光就能被多次放大，當增益超過能量損耗，便會形成雷射。這可以比喻成一場球賽，觀眾的加油聲在場館中四處反射，當所有人同步歡呼時，某些特定頻率的聲波就會被強化，形成明顯的「共鳴聲」。隨機雷射的原理也是如此——光子在無序的散射中找到自我增強的方式，1990年，美國物理學家Nabil M. Lawandy成功驗證了這一概念，證明了無序介質也能成為雷射的元素，從而開創了隨機雷射的研究熱潮。
隨機雷射光譜透露材料結構
隨機雷射不只大大降低了設計成本與結構的複雜性，還能用來探索材料的微觀特性。正如前段所述，隨機雷射與傳統雷射需要精密設計的光學腔不同，隨機雷射利用無序散射產生的增益特性來發光，反之，這一支原理使得科學家們能夠通過隨機雷射光線的特性，逆向推斷材料的光學行為，這使我們得以了解材料的散射強度、折射率變化，甚至觀察其微觀結構的均勻程度。例如，氧化鋅（ZnO）的奈米顆粒由於其高散射效能和天然增益特性，當ZnO顆粒被分散在液體或薄膜中並用紫外光激發時，可以清晰觀察到隨機雷射的發射光譜，使得我們可以得知ZnO的光學帶隙和缺陷態分布。因此，除了將光放大之外，隨機雷射還提供了一個在微觀尺度上洞悉材料行為的平台。
安德森局域化：當光子走不出迷宮
不只如此，隨機雷射還可以用來驗證一個量子力學中的經典現象——安德森局域化（Anderson Localization）。1958年，美國物理學家Philip W. Anderson發現，當電子在無序晶格中傳播時，如果材料的無序程度超過某個臨界值，電子將被侷限在特定區域內，無法進行長距離的傳輸，這一現象同樣適用於光子：當光子在無序材料中多次散射後，不再能有效擴散，反而會在局部區域產生強烈的共振，進而增強光的強度。可以將這樣的無序材料類比成一個複雜的迷宮，當光子進入迷宮時，它會四處散射尋找出路，但由於迷宮過於複雜，最終光子可能只得在某個區域內來回反射，形成建設性干涉，從而增強光的強度。這種局域化效應在低維度的材料中更容易觀察到，例如在三維材料中，光子尚可上下移動，但在二維材料中，它只能沿著平面運行，這樣的限制使得局域化更為顯著，而在一維材料中，由於可選擇的路更少，局域化的機會也就更大。
光子能在無序的材料中找到自我增強的路徑，形成更為亮麗的光線，這樣的現象突破了傳統雷射對於光學腔的依賴，更是能被應用在探索材料的內部微觀性質上，而這一切源自於我們對量子世界的理解，使我們能將量子現象應用至宏觀世界之中。隨機雷射還能給我們一個人生啟發，當生活到處碰壁時，或許是一個「自我增強」的絕佳時機，在這一個局域之中綻放屬於自己的光芒。
參考文獻
- Wiersma, D. S. (2008). The physics and applications of random lasers. Nature physics, 4(5), 359-367.
- Cao, H., Zhao, Y. G., Ho, S. T., Seelig, E. W., Wang, Q. H., & Chang, R. P. H. (1999). Random laser action in semiconductor powder. Physical Review Letters, 82(11), 2278.
- Burin, A. L., Ratner, M. A., Cao, H., & Chang, R. P. H. (2001). Model for a random laser. Physical review letters, 87(21), 215503.