激光是如何被研制出来的

激光是20世纪人类值得骄傲的重大发明之一，它是迄今性能最为优越的光源。自从20世纪60年代初激光被发明以来，迅速被应用于工业、军事、通信、医学、科研等各领域，给传统工业和经典技术以巨大冲击，产生大批高新工业和新的学科，影响了人类生活的方方面面。

激光是理论先于实践的典型代表。早在1916年，爱因斯坦在研究光和物质的相互作用时，就奠定了激光的理论基础。他提出激光的产生与原子的结构有关。在原子内部，存在原子核和核外电子，电子离原子核的距离越远，所具有的能量越高，这时我们称电子处于较高的能级。处于较高能级的电子可以自动“跳跃”到较低的能级，同时释放出特定频率的光子（光子的能量等于两个能级的能量差），称为自发辐射。如果有光子照射进原子，当光子能量正好等于电子高低能级的能量差时，处于高能级的电子将在入射光子影响下向低能级跃迁，同时发出一个与入射光子频率相同的光子出来，称为受激辐射。

自发辐射是随机过程，处于高能级的原子发射光子的时间是随机的，发出的光的相位、偏振、传播方向等参数是随机的，光子之间没有确定的联系，这正是大多数自然光源所处的状态。而受激辐射发出的光子的物理参数都与外来的光子相同，是近乎完美的光。我们可以这样类比，当外国侵略者入侵时，自发起来反抗入侵的游击队的武器、服装、人员组成都是杂乱无章的；而政府为应对入侵而正式征集的军队，其武器、服装和人员组成都非常统一。

虽然理论上预言了可以有受激辐射这样近乎完美的光，如何实现它却困扰了物理学家们40多年，有人甚至一度认为这是不可能的。为什么会这样呢？

激光实验

红绿蓝三色激光

当光射入物质时，原子中处于低能级的电子会吸收光子，叫作受激吸收。在正常情况下，处于较高能级的电子数量远少于处于较低能级的电子数量，原子处于这样的状态才比较稳定。因此受激吸收总是强于受激辐射，从自然状态来看，光是被吸收的。要产生较强的受激辐射，必须想办法让处于高能级的电子多于处于低能级的电子，叫作粒子数反转。可如何才能实现它，大家都一筹莫展。

直到1951年，苦思多年的美国物理学家汤斯一天早晨等候买早餐时，才突然认识到，用热或电的方法，把能量泵入氨分子中，可以让它们处于激发状态，就可以用微波诱导它们发射出很强的“受激微波”，他立刻把这个想法记录在一个用过的信封背面。回到实验室，他把氨分子放在谐振腔内，利用振荡和反馈放大产生出来的受激辐射，于两年后成功实现了“受激辐射微波放大”（简称为微波激射）。几年之后，光学波段的受激辐射光源也被研制出来了。

同样，在光学波段，物理学家使用了其他物质来实现粒子数反转，比如氦—氖气体、二氧化碳气体、红宝石等。在这些物质中，通常存在三个或四个能级，包括一个基态和多个激发态，其中一个激发态很稳定，电子等粒子在这个能级上能停留较长时间，叫亚稳态。其他能级更高的激发态不稳定，粒子只能停留很短时间。在外界电源或者光源激励下，处于基态的粒子被抽运到较高的能级中，短暂停留后，粒子转移到亚稳态上，在这个能级上逐渐积累了大量粒子，比基态的粒子数还多，从而实现了粒子数反转。

如果现在有光子进入，当光子的频率为特定值时，它能引起亚稳态的大量粒子同时向基态跃迁，产生大量频率、相位、偏振态相同的光子，这就是受激辐射。

仅仅实现粒子数反转，还不足以制造出激光器。因为激光器的工作物质内原子自发辐射的初始光信号是杂乱无章的，在这些光信号的激励下得到的放大的受激辐射同样是随机的。为了得到方向单一、单色性很好的受激辐射，必须在工作物质两端放置相互平行的反射面，形成光学谐振腔。光线在两镜间来回反射，其中方向与镜面不垂直的光线逐渐被反射出去，只留下垂直于镜面的受激辐射光，这就是激光光束方向性很好的原因。光在谐振腔内来回反射过程中，工作介质使光线增强，从而形成强度很高的激光。

美国科学家梅曼利用改进的干涉谐振腔，采用红宝石作为工作物质，利用高强闪光灯光管来激发红宝石，于1960年5月获得了波长为694.3纳米的激光，此时距离爱因斯坦提出激光理论已经40多年了。（肖能超）

激光产生的原理