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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。
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读者会说，这是由于最初那个“种子”光子恰好是沿水平方向运动的，如果它稍微偏一点的话会怎么样呢？如图2.6下图所示，这个光子同样也会引起受激辐射，得到放大，但是很遗憾的是，因为走的是“歪门邪道”，它们很快就离开了激光工作物质，而不能像水平方向运动的光子那样被来回反射很多次，反复放大。所以，两面反射镜的存在导致了激光具有极佳方向性的特点。当然，Townes先生在设计这样一个装置之时，他的出发点只是希望得到足够多次的放大，从而产生比较强的受激辐射。无心插柳柳成荫，这两面反射镜不仅增强了受激辐射，同时也起到了塑造激光纤细身型的作用。
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至此，千呼万唤始出来的激光终于开始在人类的思考中慢慢地变得清晰了。Townes先生有了这个绝佳的点子以后，做了很多仔细的计算，确信自己的构想是能够实现的。于是他和他的研究生开始了把想法付诸实践的漫漫长路。他们当时的目标是要制造一个产生“微波激光”的装置，即所产生的激光是微波波段，而非可见光波段（准确地说，这个装置叫作Maser而不是Laser。其中M代表着Microwave，即微波）。要创造一个全新的东西，不管后来看起来多么简单，在创造的过程中都是充满坎坷的。很长一段时间，Townes先生的研究都没有进展，当时他所在的哥伦比亚大学物理系的两位诺贝尔物理学奖得主Rabi教授和Kusch教授看在眼里急在心里，他们找到了Townes先生，进行了一次谈话（参见《激光如何偶然发现》）。两位教授语重心长地说：“小汤啊，我们觉得你的想法是行不通的！你这是在浪费金钱和时间！”Townes先生不信这个邪，他婉言拒绝了两位大物理学家的忠告，打算一条道走到黑。他对于自己的计算非常有信心，认为既然原理上完全行得通，那么就应该可以实现。
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后来的结局大家都可以猜到了，经过两年多的不断尝试（其中的千辛万苦与一次次的失望只有当事者才能体会），Townes先生和他的学生成功地实现了第一台受激放大微波辐射装置Maser，因此获得了诺贝尔物理学奖。后来他又再接再厉，与他的姐夫Arthur Schawlow先生（后来也获得了另外一年的诺贝尔奖）一起提出了可见光波段的受激辐射放大装置的原理，即真正意义上的Laser。1960年5月，美国物理学家“卖萌”先生（Theodore H.Maiman）向世界宣布，他制造了第一台红宝石激光器，产生了红色的可见激光。一年之后，中国物理学家也制成了我国第一台红宝石激光器。两年之后，激光二极管问世。从此激光的研究与应用在世界各地开花结果。50年来，在基础科学领域，与激光有关的诺贝尔奖已经不下10次（有意思的是Maiman先生并未获过诺贝尔奖）。而在生活中，从电脑里的DVD光驱到超市里的条形码扫描器，无处不见激光的踪迹。激光还是科幻小说的常客，中国第一部科幻小说《珊瑚岛上的死光》就是以激光为主要线索的。而“死光”这一激光的别名可能还得追溯到激光刚刚发现的时候，八卦记者们追问科学家这束神奇而强大的光能不能用于击落敌人的飞机，并因此赋予了它“Death Ray”（即死光）的光荣称号。但是现在医疗上用激光来救死扶伤的用途远远多于军事上的应用，应该说激光是“悬壶济世”的神光更为恰当。
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聊了这么多有关激光的故事，作为业余科学家的读者一定很想要动一动手了，这正是我们接下来要做的事情。
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动手实践
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要更加深入地体会前面关于激光的理论，最好的办法莫过于拆开两个激光器看个究竟。我们首先来拆一个大个子的激光器。
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第1个实验 邂逅氦氖激光器
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