雷射之光特別在哪裡
拿手電筒照牆，你得到的是一攤模糊、四散、顏色混雜的光。用雷射筆一指，你得到的是一個緊緻、顏色純淨的光點，哪怕在很遠處它仍是一個點。兩者都不過是光——一束束光子流。差別在於這些光子之間的*配合*。普通光是一群亂糟糟的人群：光子朝四面八方離開，顏色各異，彼此還不同步。雷射之光則是一支訓練有素的隊列：光子朝同一方向行進、顏色相同、邁著完全一致的步伐。雷射（laser）這個詞正是這道配方的縮寫——「受激輻射光放大」（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。
要看清這種「齊步」是怎麼產生的，我們只需要兩個你已經見過的量子概念。第一，原子擁有固定的能階，電子可以待在低能階，也可以被踢到更高的能階。第二，當電子跌回較低能階時，原子會把這份能量差以單個光子的形式發射出來，其顏色恰好由這道「能隙」決定——這正是光子能量的體現。雷射的一切，都源自對這些「跌落」如何發生、何時發生的控制。
自發輻射與受激輻射
一個受激原子釋放它那枚光子，有兩種途徑。在自發輻射中，電子乾脆自己跌落——在一個隨機的時刻、把它的光子朝一個隨機的方向發射出去。普通燈泡或蠟燭就是這樣發光的——無數原子各自獨立地發射，這正是為什麼那種光是一團雜亂無章的混合。它是「預設情形」，也是雷射式秩序的天敵。
真正的「魔法成分」是第二條途徑——受激輻射，由愛因斯坦在 1917 年預言。假設有一枚*顏色恰好正確*的光子從一個已經被激發的原子旁經過。這枚路過的光子不會被吸收，反而能「撩撥」這個原子提早跌落——而它新發出的那枚光子，會是觸發它的那枚的完美孿生：同樣的顏色、同樣的方向、同樣的步伐。一枚光子進去，兩枚一模一樣的光子出來。這就是每一台雷射器核心處的那一步「複製」，即驅動雷射的受激輻射。
難題：大多數原子並未被激發
這裡有個麻煩。一枚路過的光子對一個原子可能做兩件事之一：如果原子處在低能態，光子就被*吸收*（隨之消失）；如果原子已經被激發，光子就觸發受激輻射（隨之翻倍）。在普通物質中，絕大多數原子都待在低能態，所以一束光穿過時，被吸收的可能性遠大於被放大的可能性。影印機反著轉——光被吃掉，而不是被增殖。
要獲得淨放大，你必須把這個天平翻過來，讓被激發的原子*多於*未被激發的原子。這種不自然、上下顛倒的安排叫做粒子數反轉——之所以叫「反轉」，是因為它把「低能態佔多數」這一通常情形給倒了過來。實現它，正是造一台雷射器的核心工程難題。你沒法靠簡單地用雷射顏色的光去照原子來達到它，因為同一束光在激發一個低能態原子的同時，也同樣可能讓一個高能態原子退激發；於是兩邊粒子數就僵在「打平」上。聰明的解法是動用第三個能階。
在一台典型的雷射器裡，原子先被泵浦——由閃光燈、電流或另一束光提供能量——抬升到一個壽命很短的高能階。然後它們很快滑落到一個特殊的、傾向於「滯留」的中間能階。由於原子湧入這個長壽命中間能階的速度快過它們離開的速度，相比之下它正下方的那個能階反而更空了：反轉就此實現。從這個「滯留」能階跌落到那個更空能階的過程，正是發生雷射的躍遷。
把它們組裝起來：雷射腔
反轉讓你得到一塊「放大而非吸收」的介質。最後一味配料是回饋：把這塊反轉後的材料夾在兩面相對的鏡子之間。一枚沿軸線發出的光子會在兩鏡間來回反彈，每往返一次就觸發更多的受激輻射，讓那一列齊步行進的同樣光子不斷翻倍、再翻倍。其中一面鏡子被做得*略微*「漏光」，從它那裡逃逸出來的那一部分，就是你的雷射束——其中每一枚光子都是最初那次「複製」的後代，因此全都共享同一種顏色、同一個方向。
- 泵浦：把能量注入介質，將原子抬升到激發態。
- 反轉：安排好能階，使被激發的原子多於未被激發的——即粒子數反轉。
- 播種與複製：單枚光子觸發受激輻射，一次又一次地產生一模一樣的孿生光子。
- 回饋：兩面鏡子讓光在介質中反覆穿行，將其放大成一場「雪崩」。
- 引出：讓一小縷光從一面鏡子漏出——那就是光束。
[pump energy in]
|
v
||=================|| <- inverted medium (excited atoms)
M1 M2~ M1 = full mirror, M2 = leaky mirror
|| -> -> -> -> ||~~~~~> laser beam out
^ ^
one photon triggers twins; mirrors recycle them這就是雷射全部的量子內核了。固定的能階決定了那純淨的顏色。受激輻射把光子複製成完美的副本。粒子數反轉讓「複製」壓過「吸收」。鏡子餵養這場雪崩。其結果，便是日常生活中最奇特的那束光——一束秩序井然到能讀條碼、能跨洋傳輸網路、甚至能測量到月球距離的光。