2002年4月7日，中國(guó)“神光二號(hào)”巨型激光器研制成功。你可知道，激光束如何被研制出來(lái)的呢？

激光是20世紀(jì)人類值得驕傲的重大發(fā)明之一，它是迄今性能最為優(yōu)越的光源。自從20世紀(jì)60年代初激光被發(fā)明以來(lái)，迅速被應(yīng)用于工業(yè)、軍事、通信、醫(yī)學(xué)、科研等各領(lǐng)域，給傳統(tǒng)工業(yè)和經(jīng)典技術(shù)以巨大沖擊，產(chǎn)生大批高新工業(yè)和新的學(xué)科，影響了人類生活的方方面面。

激光是理論先于實(shí)踐的典型代表。早在1916年，愛(ài)因斯坦在研究光和物質(zhì)的相互作用時(shí)，就奠定了激光的理論基礎(chǔ)。他提出激光的產(chǎn)生與原子的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在原子內(nèi)部，存在原子核和核外電子，電子離原子核的距離越遠(yuǎn)，所具有的能量越高，這時(shí)我們稱電子處于較高的能級(jí)。處于較高能級(jí)的電子可以自動(dòng)“跳躍”到較低的能級(jí)，同時(shí)釋放出特定頻率的光子（光子的能量等于兩個(gè)能級(jí)的能量差），稱為自發(fā)輻射。如果有光子照射進(jìn)原子，當(dāng)光子能量正好等于電子高低能級(jí)的能量差時(shí)，處于高能級(jí)的電子將在入射光子影響下向低能級(jí)躍遷，同時(shí)發(fā)出一個(gè)與入射光子頻率相同的光子出來(lái)，稱為受激輻射。

自發(fā)輻射是隨機(jī)過(guò)程，處于高能級(jí)的原子發(fā)射光子的時(shí)間是隨機(jī)的，發(fā)出的光的相位、偏振、傳播方向等參數(shù)是隨機(jī)的，光子之間沒(méi)有確定的聯(lián)系,這正是大多數(shù)自然光源所處的狀態(tài)。而受激輻射發(fā)出的光子的物理參數(shù)都與外來(lái)的光子相同，是近乎完美的光。我們可以這樣類比，當(dāng)外國(guó)侵略者入侵時(shí)，自發(fā)起來(lái)反抗入侵的游擊隊(duì)的武器、服裝、人員組成都是雜亂無(wú)章的；而政府為應(yīng)對(duì)入侵而正式征集的軍隊(duì)，其武器、服裝和人員組成都非常統(tǒng)一。

雖然理論上預(yù)言了可以有受激輻射這樣近乎完美的光，如何實(shí)現(xiàn)它卻困擾了物理學(xué)家40多年，有人甚至一度認(rèn)為這是不可能的。為什么會(huì)這樣呢？

當(dāng)光射入物質(zhì)時(shí)，原子中處于低能級(jí)的電子會(huì)吸收光子，叫作受激吸收。在正常情況下，處于較高能級(jí)的電子數(shù)量遠(yuǎn)少于處于較低能級(jí)的電子數(shù)量，原子處于這樣的狀態(tài)才比較穩(wěn)定。因此受激吸收總是強(qiáng)于受激輻射，從自然狀態(tài)來(lái)看，光是被吸收的。要產(chǎn)生較強(qiáng)的受激輻射，必須想辦法讓處于高能級(jí)的電子多于處于低能級(jí)的電子，叫作粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?？扇绾尾拍軐?shí)現(xiàn)它，大家都一籌莫展。

直到1951年，苦思多年的美國(guó)物理學(xué)家湯斯一天早晨等候買早餐時(shí)，才突然認(rèn)識(shí)到，用熱或電的方法，把能量泵入氨分子中，可以讓它們處于激發(fā)狀態(tài)，就可以用微波誘導(dǎo)它們發(fā)射出很強(qiáng)的“受激微波”，他立刻把這個(gè)想法記錄在一個(gè)用過(guò)的信封背面?；氐綄?shí)驗(yàn)室，他把氨分子放在諧振腔內(nèi)，利用振蕩和反饋放大產(chǎn)生出來(lái)的受激輻射，于兩年后成功實(shí)現(xiàn)了“受激輻射微波放大”（簡(jiǎn)稱為微波激射）。幾年之后，光學(xué)波段的受激輻射光源也被研制出來(lái)了。

同樣，在光學(xué)波段，物理學(xué)家使用了其他物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，比如氦—氖氣體、二氧化碳?xì)怏w、紅寶石等。在這些物質(zhì)中，通常存在三個(gè)或四個(gè)能級(jí)，包括一個(gè)基態(tài)和多個(gè)激發(fā)態(tài)，其中一個(gè)激發(fā)態(tài)很穩(wěn)定，電子等粒子在這個(gè)能級(jí)上能停留較長(zhǎng)時(shí)間，叫亞穩(wěn)態(tài)。其他能級(jí)更高的激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，粒子只能停留很短時(shí)間。在外界電源或者光源激勵(lì)下，處于基態(tài)的粒子被抽運(yùn)到較高的能級(jí)中，短暫停留后，粒子轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)上，在這個(gè)能級(jí)上逐漸積累了大量粒子，比基態(tài)的粒子數(shù)還多，從而實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

如果現(xiàn)在有光子進(jìn)入，當(dāng)光子的頻率為特定值時(shí)，它能引起亞穩(wěn)態(tài)的大量粒子同時(shí)向基態(tài)躍遷，產(chǎn)生大量頻率、相位、偏振態(tài)相同的光子，這就是受激輻射。

僅僅實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，還不足以制造出激光器。因?yàn)榧す馄鞯墓ぷ魑镔|(zhì)內(nèi)原子自發(fā)輻射的初始光信號(hào)是雜亂無(wú)章的，在這些光信號(hào)的激勵(lì)下得到的放大的受激輻射同樣是隨機(jī)的。為了得到方向單一、單色性很好的受激輻射，必須在工作物質(zhì)兩端放置相互平行的反射面，形成光學(xué)諧振腔。光線在兩鏡間來(lái)回反射，其中方向與鏡面不垂直的光線逐漸被反射出去，只留下垂直于鏡面的受激輻射光，這就是激光光束方向性很好的原因。光在諧振腔內(nèi)來(lái)回反射過(guò)程中，工作介質(zhì)使光線增強(qiáng)，從而形成強(qiáng)度很高的激光。

美國(guó)科學(xué)家梅曼利用改進(jìn)的干涉諧振腔，采用紅寶石作為工作物質(zhì)，利用高強(qiáng)閃光燈光管來(lái)激發(fā)紅寶石，于1960年5月獲得了波長(zhǎng)為694.3納米的激光，此時(shí)距離愛(ài)因斯坦提出激光理論已經(jīng)40多年了。