今年五一假期，各处景点人山人海，备受年轻人喜爱的上海迪士尼乐园也不例外。游客或是畅玩游乐项目找寻童真，或是观赏一番夜场烟花表演；一串串多彩烟花，将浪漫喜悦绽放在一瞬的光影里。

  但大家知道吗，绚烂的烟花秀背后竟暗含着不少光学原理！今天我们就一起聊聊这些问题。

  作为我国“四大发明”之一，火药最早诞生于公元前一世纪。经过数百年的精进，隋唐时期，人们已经能够熟练地制造高质量的火药，并开始将其应用于军事行动中。时至今日，“一硫二硝三木炭”的火药制造材料配比，仍然在民间广泛流传，这既是一种文化传承，又能够充分说明古人对火药制造技术的极高造诣。

  火药在燃烧瞬间会产生光和热，若将其置于狭小的空间内并点燃，那么便会出现爆炸的现象，这也是爆竹的由来。作为烟花始祖，爆竹的设计重点围绕火药在竹筒内爆炸时所产生的响度、烟尘及气味等要素展开，而并未过多考虑火药在燃烧瞬间的亮度及色彩。

  随着冶炼技术的逐渐发展，人们逐渐掌握了从矿石中提炼出合金物质、并将其应用于生产活动中的工艺。在这样的一个过程里，有人开始注意到：若将金属矿石掺杂进火药中，便能够极大的提升其燃放时的亮度，同时产生绚烂的色彩，这便是烟花的由来。自此之后数百年间，人们根据不同矿石掺杂、设计出成千上万种不同花色的烟花，提升了节日期间的喜庆氛围。

  18世纪以后，由于机械生产的全部过程对矿石资源产生庞大需求，欧洲学者开始对矿石成分展开研究。19世纪中叶，来自德国的化学家本生开创了对元素进行定性检验的光谱分析技术，系统研究了不同元素在火焰中燃烧时所表现出的色彩（也就是我们常说的焰色反应）。今天，焰色反应慢慢的变成了了制造烟花时不可或缺的理论指导方略，并使人们能依照自己的审美标准，随心所欲地设计具有不一样效果的烟花。

  若从深层原理上做多元化的分析，不同元素焰色存有差异的本质，与其具体的能带结构密不可分。在实际的焰色反应实验中，研究者往往会利用酒精灯、煤气灯等装置对金属盐溶液样品进行灼烧，当煤气灯充分燃烧时，其外焰温度最高可达1400 ℃，这一温度下，金属化合物的化学键因吸收大量热能发生断裂，并产生出基态的气态原子或离子。基态粒子在高温下相互碰撞的频率增加，并会因碰撞产生能量转移而跃迁至激发态；激发态下，原子或离子的状态不够稳定，会因自发辐射而重新跃迁至基态，多余能量以光子的形式释放出来。

  在自发辐射的行为中，由于能带结构存在差异，不同元素辐射出光子的能量不完全一样，而在量子光学领域，科学家们则常用 E=hν 一式来分析光子的频率及能量。也就是说，自发辐射能量的大小将决定光子频率，频率与光束波长负相关，因此不同元素将对应光谱的不同位置，并在实验中产生多彩的焰色差异。“能带结构”、“自发辐射”等词眼，很容易使人联想到激光器的工作原理，若对激光器的运行过程仔细分析，你的思维或许会碰撞出火花：激光器的运行过程，也有“焰色反应”存在！

  激光器由泵浦源、增益介质与谐振腔组成，若从光谱的角度展开研究，激光器可被看作为一个等价于“波长转换”的装置：其中，增益介质可以通过受激辐射的方式，将泵浦光转换为设计者所希望获得波段的激光。本质上，增益介质就是掺有特定稀土元素的波导，不同元素能带结构不同，故而在受激吸收的过程中，达到激发态所需的能量大小不同——这也决定了受激辐射时所发射光子的频率，通过选择正真适合的泵浦光和增益介质，就能够产生出理想波段的激光。

  在光学实验室，尤其是从事光纤激光研究的实验平台上，往往能清楚看到闪烁着亮眼颜色的光纤：这便是掺有稀土元素的增益光纤。但必须要格外注意，增益介质所闪烁出的颜色，仅仅是一种荧光，并不是真正的传输光束！稀土元素往往有着复杂的能带结构，在激发态所处能级之上，还有需要吸收更高能量才能到达的能级，这些能级只有少许粒子能到达，当粒子因吸收足够能量到达更高能级后，由于更加不稳定状态的影响，便会即刻辐射光子降低能量，弛豫至激发态，随后参与后续受激辐射的过程。弛豫过程辐射产生出光子，我们一般称之为上转换荧光，这也是掺有不同元素增益介质被泵浦光点亮时，产生不一样的颜色的根本原因，而从自发辐射的意义上来说，这也是一种别样的“焰色反应”。

  缤纷的色彩，既丰富了激光器的门类，亦使得夜空中的烟花更加绚烂耀眼。有生物学研究表明，多彩视场能够激发人类的正向情感、创造力和工作热情，因此视觉光学领域内的先进的技术，也在不断被开发、应用，以优化人类的视觉体验。

  为向相关领域研究学者提供一个开放、公开的高水平论坛，中国激光杂志社旗下《激光与光电子学进展》常年开设“视觉，颜色与视觉光学”栏目，文章评审流程较短，配套服务专业可靠。在此，欢迎各位向《激光与光电子学进展》投出您的稿件，与我们携手打造具有较高研究水平的视觉光学交流平台！

  如有光学论文写作/实验笔记经验、绘图工具介绍，或其他优质稿件，欢迎投稿至。

  由于微信公众号试行乱序推送，您可能没办法准时收到“爱光学”的文章。为了让您第一时间看到“爱光学”的新鲜推送， 请您：