2002年4月7日，中國“神光二號”巨型激光器研製成功。你可知道，激光束如何被研製出來的呢？

激光是20世紀人類值得驕傲的重大發明之一，它是迄今性能最為(wei) 優(you) 越的光源。自從(cong) 20世紀60年代初激光被發明以來，迅速被應用於(yu) 工業(ye) 、軍(jun) 事、通信、醫學、科研等各領域，給傳(chuan) 統工業(ye) 和經典技術以巨大衝(chong) 擊，產(chan) 生大批高新工業(ye) 和新的學科，影響了人類生活的方方麵麵。

激光是理論先於(yu) 實踐的典型代表。早在1916年，愛因斯坦在研究光和物質的相互作用時，就奠定了激光的理論基礎。他提出激光的產(chan) 生與(yu) 原子的結構有關(guan) 。在原子內(nei) 部，存在原子核和核外電子，電子離原子核的距離越遠，所具有的能量越高，這時我們(men) 稱電子處於(yu) 較高的能級。處於(yu) 較高能級的電子可以自動“跳躍”到較低的能級，同時釋放出特定頻率的光子（光子的能量等於(yu) 兩(liang) 個(ge) 能級的能量差），稱為(wei) 自發輻射。如果有光子照射進原子，當光子能量正好等於(yu) 電子高低能級的能量差時，處於(yu) 高能級的電子將在入射光子影響下向低能級躍遷，同時發出一個(ge) 與(yu) 入射光子頻率相同的光子出來，稱為(wei) 受激輻射。

自發輻射是隨機過程，處於(yu) 高能級的原子發射光子的時間是隨機的，發出的光的相位、偏振、傳(chuan) 播方向等參數是隨機的，光子之間沒有確定的聯係,這正是大多數自然光源所處的狀態。而受激輻射發出的光子的物理參數都與(yu) 外來的光子相同，是近乎完美的光。我們(men) 可以這樣類比，當外國侵略者入侵時，自發起來反抗入侵的遊擊隊的武器、服裝、人員組成都是雜亂(luan) 無章的；而政府為(wei) 應對入侵而正式征集的軍(jun) 隊，其武器、服裝和人員組成都非常統一。

雖然理論上預言了可以有受激輻射這樣近乎完美的光，如何實現它卻困擾了物理學家40多年，有人甚至一度認為(wei) 這是不可能的。為(wei) 什麽(me) 會(hui) 這樣呢？

當光射入物質時，原子中處於(yu) 低能級的電子會(hui) 吸收光子，叫作受激吸收。在正常情況下，處於(yu) 較高能級的電子數量遠少於(yu) 處於(yu) 較低能級的電子數量，原子處於(yu) 這樣的狀態才比較穩定。因此受激吸收總是強於(yu) 受激輻射，從(cong) 自然狀態來看，光是被吸收的。要產(chan) 生較強的受激輻射，必須想辦法讓處於(yu) 高能級的電子多於(yu) 處於(yu) 低能級的電子，叫作粒子數反轉。可如何才能實現它，大家都一籌莫展。

直到1951年，苦思多年的美國物理學家湯斯一天早晨等候買(mai) 早餐時，才突然認識到，用熱或電的方法，把能量泵入氨分子中，可以讓它們(men) 處於(yu) 激發狀態，就可以用微波誘導它們(men) 發射出很強的“受激微波”，他立刻把這個(ge) 想法記錄在一個(ge) 用過的信封背麵。回到實驗室，他把氨分子放在諧振腔內(nei) ，利用振蕩和反饋放大產(chan) 生出來的受激輻射，於(yu) 兩(liang) 年後成功實現了“受激輻射微波放大”（簡稱為(wei) 微波激射）。幾年之後，光學波段的受激輻射光源也被研製出來了。

同樣，在光學波段，物理學家使用了其他物質來實現粒子數反轉，比如氦—氖氣體(ti) 、二氧化碳氣體(ti) 、紅寶石等。在這些物質中，通常存在三個(ge) 或四個(ge) 能級，包括一個(ge) 基態和多個(ge) 激發態，其中一個(ge) 激發態很穩定，電子等粒子在這個(ge) 能級上能停留較長時間，叫亞(ya) 穩態。其他能級更高的激發態不穩定，粒子隻能停留很短時間。在外界電源或者光源激勵下，處於(yu) 基態的粒子被抽運到較高的能級中，短暫停留後，粒子轉移到亞(ya) 穩態上，在這個(ge) 能級上逐漸積累了大量粒子，比基態的粒子數還多，從(cong) 而實現了粒子數反轉。

如果現在有光子進入，當光子的頻率為(wei) 特定值時，它能引起亞(ya) 穩態的大量粒子同時向基態躍遷，產(chan) 生大量頻率、相位、偏振態相同的光子，這就是受激輻射。

僅(jin) 僅(jin) 實現粒子數反轉，還不足以製造出激光器。因為(wei) 激光器的工作物質內(nei) 原子自發輻射的初始光信號是雜亂(luan) 無章的，在這些光信號的激勵下得到的放大的受激輻射同樣是隨機的。為(wei) 了得到方向單一、單色性很好的受激輻射，必須在工作物質兩(liang) 端放置相互平行的反射麵，形成光學諧振腔。光線在兩(liang) 鏡間來回反射，其中方向與(yu) 鏡麵不垂直的光線逐漸被反射出去，隻留下垂直於(yu) 鏡麵的受激輻射光，這就是激光光束方向性很好的原因。光在諧振腔內(nei) 來回反射過程中，工作介質使光線增強，從(cong) 而形成強度很高的激光。

美國科學家梅曼利用改進的幹涉諧振腔，采用紅寶石作為(wei) 工作物質，利用高強閃光燈光管來激發紅寶石，於(yu) 1960年5月獲得了波長為(wei) 694.3納米的激光，此時距離愛因斯坦提出激光理論已經40多年了。