氨分子是二能级系统，在正常情况下是不可能实现粒子数反转的，因为受激吸收和受激辐射的概率是相同的，同时还有自发辐射存在，这就导致高能级的粒子数一定会少于基态粒子数。

汤斯的办法非常巧妙，他利用磁场将基态和激发态的氨分子区分开来，单单挑出激发态的氨分子放到微波谐振腔里，在这个谐振腔里实现了粒子数反转。

三年之后，利用这个想法，汤斯造出了第一台“MASER”。啥是 MASER 呢？

MASER的全称为Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation，译为“利用受激辐射对微波进行放大”。激光LASER的全称为light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，译为“利用受激辐射对光进行放大”。

上文我们提到光是一种电磁波，微波则是另一种电磁波。

电磁波可以按照频率的大小来进行分类，微波的频率在 300 MHz～300 GHz，而可见光频率则是在 3.9～7.5 乘以 10 的 14 次方 Hz 之间。

从名字我们就能看出 MASER 和 LAZER 的不同，主要在于工作波段的不同，MASER 离 LASER 只有一步之遥了。

汤斯和第一台MASER。

第三步，补全激光三大件。

MASER 的问世解决了粒子数反转问题。短短三年时间，这项技术就突飞猛进，这时候大家都希望能够赶紧更进一步，把这个微波放大器变成光放大器，造出那个梦想中的光源，也就是激光。

至此我们已经能隐隐总结出组成激光器的三大部件了：

一是需要能实现粒子数反转的物质，就像是氨分子，我们称之为增益介质；二是合适的抽运方法，我们称之为泵浦；三是上面提到汤斯用的谐振腔，至于谐振腔的作用我们后面再说。

1958 年，汤斯和肖洛合作写了一篇理论文章，第一次从理论上预言了激光的可行性。此时对汤斯来说，可谓万事俱备只欠东风！

结果大家也都知道了，汤斯本以为自己是借风的周瑜，没想到却成了被风骗了的曹操。1960 年 5 月 16 日，梅曼另辟蹊径，捷足先登，制造出了人类历史上的第一台激光器。

关于梅曼如何捷足先登的故事，大家有兴趣可以去了解一下，可谓一波三折非常精彩。不过我们这里还是把介绍重点放在他的红宝石激光器上。

红宝石激光器原理图。

这个激光器非常清晰地展示了激光器的三大部件，我们就不妨依次介绍。

增益介质：

梅曼选择的增益介质是红宝石，也就是掺铬的三氧化二铝。

三能级系统示意图。

这种增益介质是一种三能级系统，这种三能级系统实现粒子数反转的办法，就比之前的二能级系统要简单许多了。红宝石的三能级系统有一些特别之处，我们通过它的抽运过程就能理解它是如何实现粒子数反转的。

首先通过合适的激励把基态粒子直接运上 E3 能级，而 E3 能级和 E2 能级之间存在无辐射跃迁过程，也就是 E3 上的粒子会很快通过碰撞跑到 E2 上，减少的能量变成热运动能量，而不是发光。

此外，E2 态是亚稳态，就是 E3 能级上掉下来的粒子能在 E2 能级保持很长时间。这样相当于利用 E3 能级作为一个过渡，把基态的粒子运到了 E2 上，让这个过程一直进行下去，E2 的粒子数就会超过基态粒子数，实现粒子数反转。

其实红宝石激光器的效率很低，只有 0.1%，这是受增益介质的限制，因为三能级系统需要很高的能量把基态粒子抽运到高能态去。此外，这个激光器的波长为 694.3nm 也是由这种增益介质决定的。

随着激光的发展，增益介质的种类逐渐增多，包括气体、固体、液体、光纤、半导体等等，比如教室里常用的激光笔就是一种半导体激光器。

总之，不管哪种增益介质，它都要有能实现粒子数反转的方法。

泵浦：

第一台红宝石激光器的泵浦灯。

梅曼的激光器最明显的特征，就是它的泵浦光源是一个螺旋形的氙气灯，螺旋形可以保证把红宝石棒放在灯管之间。此外这个灯还是使用脉冲光来抽运，也就是它发出的光不是连续的，而是一阵一阵的，这是梅曼最重要的设计，这样就避免了连续的高能量抽运光损坏晶体。

谐振腔：

谐振腔示意图。