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图2.1 Surveyor 7号登月太空船拍摄的地球照片。注意左侧的两个亮点，那里是美国的西南部。经过长距离地传播以及地球大气的扰动，激光看起来变成了两个很大的光斑。（照片由美国NASA Jet Propulsion Laboratory提供）
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激光的英文名称叫作laser，原来是“Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation”的缩写，即“通过受激辐射产生的光放大装置”，而如今Laser已经作为一个独立的单词被广泛应用了。20世纪80年代之前，激光或许还是科研人员和“骨灰级”发烧友才能玩得起的东西，而从20世纪90年代开始，大量廉价的红色半导体激光器出现在市场上，激光开始进入寻常百姓家。在本书中，我们将利用这种廉价的激光器来进行几个有趣的实验和制作，在这一章里，我们首先来了解一下激光的故事。
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我们对激光最直接的感受是它的颜色非常纯，光线非常集中。夜幕下，一支小小的激光笔发出的光，照射到几百米外的建筑物上依然是一个明亮的小点。这两点正好体现了激光与普通手电筒之类光源的区别。颜色单纯表明激光所含频率非常单一，光线集中表明激光的方向性很好。我们之所以能在月球上还能看到地球上的激光，就是它的方向性好的极佳体现。虽然只有2W的功率，但是这2W的光线非常“团结一致，携手并进”。直到30万千米之外，它们仍然“不离不弃”，这样从月球上看起来就非常明亮了。激光为什么会有这样的特点呢？这得从激光的构造说起。
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一台典型的激光器的构造可以用图2.2表示。
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图2.2 激光器的构造
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激光器与一般光源最明显的区别就是它有两面反射镜，如图2.2所示，左边是一块略微透光的反射镜，右边是一块几乎完全不透光的反射镜（俗话说，世上没有不透光的镜子，所以只是“几乎完全不透光”）。激光从左边那个略微透光的镜子中射出，而在两面镜子之间是产生激光的发光物质。在这里，要先向非物理专业的读者致歉，因为我必须要聊一聊物质发光的量子理论，这对于大家理解激光，以及更多自然界的现象都是非常有帮助的。
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在20世纪初期，人们从观察物质发光的光谱中，总结出了一套描述微观粒子运动的理论，称作“量子理论”。这个理论认为，光是像颗粒一样，一粒一粒（称作“光子”）以波动的形式传播的。这句话听起来很拗口，但是光就是这么一个拗脾气，这就是所谓的“波粒二相性”。大家暂时不理解也不要紧，因为据大师费曼断言，世界上没有人懂得微观粒子为什么会这样[1]。我们还可以很安全地认为光是电磁波，一个光子就是一束微弱的电磁波。而平时我们看到的光，则是很多很多个光子组成的较强的电磁波。量子理论还认为，电子在原子内部有一些分立的“能级”，也就是说在原子内部电子的排列不是随心所欲的，而是有森严的等级制度的，越高级别的电子拥有越大的能量。当一个身处高能级的电子跳跃到低能级时，根据能量守恒定律，就会有一些能量释放出来，化身为一个“光子”，这个发光的过程见图2.3，物理学家称之为“自发辐射”。
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图2.3 发光的过程
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很容易理解，当一个电子处于低能级时，则也可以吸收一个能量为E1－E2的光子，跳到高能级去，如图2.4所示，这个过程叫作“激发”。当然，如果这个电子在高能级“待腻”了，也可以跳回来，放出一个E1－E2的光子。
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图2.4 吸收光的过程
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故事还没有结束，爱因斯坦先生认识到，发光的过程应该还有一种情况，那就是当一个处于高能级的电子，如果恰好碰到一个能量为E1－E2的光子，它会“随大溜儿”地跳到低能级，并且发射出一个和外来光子一模一样的光子来。所谓一模一样，并不单单指能量一样，因为光子是一束微弱的电磁波，既然是波动，就还有频率、相位以及前一章提到的偏振态。量子理论中，光子的能量=常数[2]×频率，能量一样的光子，频率自然就一样了，这没有什么值得稀奇的。但是相位和偏振态也一样就不简单了。这说明电子发出的电磁波（光子）与刺激电磁波（光子）的电磁场振动完全同步，而且振动方向也一样，如图2.5所示。物理学家称这种发光过程为“受激辐射”。
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图2.5 受激辐射发光过程
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设想一下，我们有很多个原子，它们的电子都处在一个高能级E1，这时，某一个电子待不住了跳回低能级，产生一个E1－E2的光子。这个光子在它的传播过程中，所到之处都能诱发当地的电子产生“受激辐射”，这样一个光子变成完全相同的两个，两个变成4个，4个变成8个……很快，我们就有了一支浩浩荡荡的光子队伍，它们都一模一样，具有相同的频率、偏振和相位，这不正是Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation（通过受激辐射产生的光放大）吗？激光的产生近在咫尺！
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至此，我们掌握了产生激光的必要工具—“受激辐射”。但奇怪的是，爱因斯坦先生在20世纪初就提出了这个概念，为什么激光要等到20世纪60年代才被发明出来呢？这是因为一个常识在作怪。这个常识说，在正常情况下，物质中的电子总喜欢呆在低能级。这是无可非议的，正如水往低处流，世界上万事万物自然而然地都倾向于能量低的状态。所以，如果有很多个原子，只有一小部分原子的电子处于高能级。这时，如果某一个高能级电子呆不住了跳回低能级，产生一个光子，这个光子在传播的过程中，很有可能碰到的是另一个处在低能级的电子把它给吸收了（见图2.4），这样我们就不能得到更多的光子。正因如此，受激辐射长时间内被看作是没有什么用的东西。
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这种状况一直到1951年4月26日早上终于发生了改变，年轻的美国物理学家Charles Townes先生，在清晨宁静清新的空气中，忽然有了一个利用受激辐射的奇妙想法[3]。如果我们能够不断地提供很多处于高能级的原子，这样就能够从源头上保证获得越来越多的光子（术语称为粒子数反转，即处于高能级的原子数目比低能级的原子数目要多）。为了确保一个光子能够遇到更多的高能级原子产生受激辐射，他设想把这些高能级的原子放在两个反射面之间（见图2.2），这样一个光子就能来回在高能级的原子间穿梭，产生很多个相同光子以后，再从稍微透光的那一面发射出去（我描述的细节有很大的简化，读者可以参考《激光如何偶然发现》来获得第一手的准确资料）。后来的实验证明，Townes先生的这两个伟大的构想是缺一不可的。仅仅有很多处于高能级的原子还不足以产生激光，必须加上两面反射镜才能够使得一个光子诱发足够次数的受激辐射，得到充分的利用。
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受激辐射和这两面反射镜的加入，直接决定了如今我们所熟悉的激光的特性。如前面所述，受激辐射产生了大量一模一样的光子，这样激光就具有了非常好的单色性（只含有一种频率）。而两面反射镜则导致激光具有极佳的方向性，这是为什么呢？让我们来看图2.6。
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图2.6 反射镜决定激光的方向性
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在图2.6上图中，我们首先假设最左上角的那个原子的电子从高能级跳回了低能级，放出一个水平向右运动的光子，这个光子诱发受激辐射，“人气”一路飚升。直到它碰到右边的反射镜时，它们的传播方向变成了水平向左，然后又继续诱发受激辐射（注意到我们通过某种手段使得工作物质中的原子一直处于高能级的状态，即使它放出了一个光子，我们也能很快通过别的方式把它激发到了高能级）。这一路“浩浩荡荡”的光子遇到左边的反射镜时，一小部分透射出去，其余大部分还留在激光工作物质内继续放大。这透出去的一部分光子就成了我们熟悉的激光，注意到了吗？它们都是朝向同一个方向运动的，丝毫没有扩散的意思。