2015 年是国际光和光基技术年（IYL2015），也是在这一年，联合国教科文组织执行委员会签署通过了将每年的 5 月 16 日设为“国际光日”的决定。

之所以选择 5 月 16 日，是因为在 1960 年 5 月 16 日，美国物理学家梅曼制造出了人类历史上的第一束激光。

梅曼和红宝石激光器。

所以激光到底是什么？它又为啥这么重要呢？

要回答这两个问题，我们就得好好了解一下梅曼这项工作的前因后果。

01

物体为什么会发光？

时间来到 1912 年，那时候的物理学家还在执着于构成这个世界的基础——原子，到底长啥模样。

这一年，丹麦物理学家玻尔的三篇论文发表，在这三篇论文里，玻尔把量子理论运用在了卢瑟福的原子模型中，提出了著名的玻尔模型。

玻尔模型能解释当时其他模型所不能解释的现象，并且预测了一些之后通过实验能够证实的结果，因此之后得到科学界的普遍接受。

我们来看看这个玻尔模型，玻尔模型是一种行星模型，也就是说，带负电的电子就像行星一样围绕着带正电的原子核运动。

玻尔模型的精妙之处在于这些电子的轨道并不是随便选择的，而是只能选择一些确定的数值。

氢原子的玻尔模型。

最里面的电子轨道被称为基态，再外面一层的轨道就叫第一激发态，再外面就是第二激发态，以此类推。

玻尔模型就可以很好地解释物体为啥会发光，我们可以注意到这些不同的轨道上的电子能量是不一样的，不妨把这些轨道“展平”，这样我们就得到了一些能级。自发辐射能级。

由于能量守恒的缘故，电子想从低能级跃迁到高能级去，就得从外界吸收对应的能量，这个过程我们就叫它受激吸收。同样的，电子从高能级掉到低能级去，肯定也会放出相应的能量，事实证明，这个过程会发出一个光子，也就是说，电子会发光，所以这个过程被称为自发辐射。

我们生活中常见的普通光源的发光原理就是自发辐射。

日光灯。

02

让光“听话”

自发辐射产生的光存在一些问题：原子中的能级很多，这些光子有可能是第一能级自发辐射产生的，也有可能是第三能级自发辐射产生的……

这就会导致这些光子的能量不一样，而单个光子的能量就决定了光的频率，也就是说，自发辐射产生的光频率是随机的。

还有一点就是，自发辐射产生光子的时机，以及光子运动的方向也不受我们控制，这就会导致自发辐射产生的光，相位也是随机的。

这里所讲的频率、相位都是光作为电磁波的一种属性，频率可以理解为光波振动的快慢，它也决定了我们看到光的颜色；相位可以理解为光波传递的位置。

光作为一种电磁波。

总之，普通光源产生的光就像是一堆挤地铁的人，他们有老有少，有男有女，穿着不同颜色的衣服去坐地铁，而且走得还不一样快，有的已经上车了，有的却还在检票。

这就导致普通光源虽然在生活照明上已经足够用了，但是在科研领域，尤其是研究光的性质上，战斗力着实一般。

终于，在 1917 年，另一种发光方式浮出水面，那就是爱因斯坦提出的受激辐射理论。

受激辐射。

受激辐射理论就是说，现在假设第一激发态上有一个电子，这时候有一个光子打过来，而这个光子的能量恰好等于第一激发态和基态的差距，那么这个时候，第一激发态上的电子就会在“受到诱惑”的情况下完成自发辐射，放出一个“一毛一样”的光子。

由于这个“诱惑光子”的存在，我们就称这个过程为受激辐射。

如果在足够多的高能级电子中，这个过程会一直延续下去，最终形成一大群被“诱惑”的光子，我们将这个过程称为光放大过程，最重要的是，这些光子的相位和频率是完全一样的。就像是一支整齐划一的部队，和上面“挤地铁”的自发辐射完全不一样。

03

造一台激光器总共分几步？

第一步，粒子数反转。

有了受激辐射理论之后，人们就在想，怎么才能利用这个理论，造一个能发出整齐划一的光的光源呢？

可能会有读者说，拿光照过去不就行了吗？有什么难的呢？

有这样疑问的读者要注意前面提到的“足够多”这三个字，而且不要忘了我们的受激吸收现象。

如果高能级电子不够多，受激辐射的次数少于受激吸收的次数，这时候一束光打过来，并不会发射光放大，而是会被基态电子受激吸收，导致光损耗。

实际上，在自然情况下，基态电子数量要远远大于激发态电子，以室温为例，一个二能级系统（也就是只有基态和第一激发态的能级系统）基态电子数量大概是激发态电子数量的 10 的 170 次方倍！

所以要想利用受激辐射原理制造一台光源，首先要解决的问题就是使高能级的粒子数大于低能级的粒子数，也就是实现粒子数反转。

怎么实现粒子数反转呢？

基本的思路就是抽运，就像水泵一样，把基态的粒子抽到高能态去。

说起来容易，做起来难。

水泵抽运粒子。

第二步，造一台前身。

1951 年，美国物理学家汤斯想到了如何在氨分子中实现粒子数反转。