激光之光特别在哪里
拿手电筒照墙，你得到的是一摊模糊、四散、颜色混杂的光。用激光笔一指，你得到的是一个紧致、颜色纯净的光点，哪怕在很远处它仍是一个点。两者都不过是光——一束束光子流。差别在于这些光子之间的*配合*。普通光是一群乱糟糟的人群：光子朝四面八方离开，颜色各异，彼此还不同步。激光之光则是一支训练有素的队列：光子朝同一方向行进、颜色相同、迈着完全一致的步伐。激光（laser）这个词正是这道配方的缩写——“受激辐射光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。
要看清这种“齐步”是怎么产生的，我们只需要两个你已经见过的量子概念。第一，原子拥有固定的能级，电子可以待在低能级，也可以被踢到更高的能级。第二，当电子跌回较低能级时，原子会把这份能量差以单个光子的形式发射出来，其颜色恰好由这道“能隙”决定——这正是光子能量的体现。激光的一切，都源自对这些“跌落”如何发生、何时发生的控制。
自发辐射与受激辐射
一个受激原子释放它那枚光子，有两种途径。在自发辐射中，电子干脆自己跌落——在一个随机的时刻、把它的光子朝一个随机的方向发射出去。普通灯泡或蜡烛就是这样发光的——无数原子各自独立地发射，这正是为什么那种光是一团杂乱无章的混合。它是“默认情形”，也是激光式秩序的天敌。
真正的“魔法成分”是第二条途径——受激辐射，由爱因斯坦在 1917 年预言。假设有一枚*颜色恰好正确*的光子从一个已经被激发的原子旁经过。这枚路过的光子不会被吸收，反而能“撩拨”这个原子提早跌落——而它新发出的那枚光子，会是触发它的那枚的完美孪生：同样的颜色、同样的方向、同样的步伐。一枚光子进去，两枚一模一样的光子出来。这就是每一台激光器核心处的那一步“克隆”，即驱动激射的受激辐射。
难题：大多数原子并未被激发
这里有个麻烦。一枚路过的光子对一个原子可能做两件事之一：如果原子处在低能态，光子就被*吸收*（随之消失）；如果原子已经被激发，光子就触发受激辐射（随之翻倍）。在普通物质中，绝大多数原子都待在低能态，所以一束光穿过时，被吸收的可能性远大于被放大的可能性。复印机反着转——光被吃掉，而不是被增殖。
要获得净放大，你必须把这个天平翻过来，让被激发的原子*多于*未被激发的原子。这种不自然、上下颠倒的安排叫做粒子数反转——之所以叫“反转”，是因为它把“低能态占多数”这一通常情形给倒了过来。实现它，正是造一台激光器的核心工程难题。你没法靠简单地用激射颜色的光去照原子来达到它，因为同一束光在激发一个低能态原子的同时，也同样可能让一个高能态原子退激发；于是两边粒子数就僵在“打平”上。聪明的解法是动用第三个能级。
在一台典型的激光器里，原子先被泵浦——由闪光灯、电流或另一束光提供能量——抬升到一个寿命很短的高能级。然后它们很快滑落到一个特殊的、倾向于“滞留”的中间能级。由于原子涌入这个长寿命中间能级的速度快过它们离开的速度，相比之下它正下方的那个能级反而更空了：反转就此实现。从这个“滞留”能级跌落到那个更空能级的过程，正是发生激射的跃迁。
把它们组装起来：激光腔
反转让你得到一块“放大而非吸收”的介质。最后一味配料是反馈：把这块反转后的材料夹在两面相对的镜子之间。一枚沿轴线发出的光子会在两镜间来回反弹，每往返一次就触发更多的受激辐射，让那一列齐步行进的同样光子不断翻倍、再翻倍。其中一面镜子被做得*略微*“漏光”，从它那里逃逸出来的那一部分，就是你的激光束——其中每一枚光子都是最初那次“克隆”的后代，因此全都共享同一种颜色、同一个方向。
- 泵浦：把能量注入介质，将原子抬升到激发态。
- 反转：安排好能级，使被激发的原子多于未被激发的——即粒子数反转。
- 播种与复制：单枚光子触发受激辐射，一次又一次地产生一模一样的孪生光子。
- 反馈：两面镜子让光在介质中反复穿行，将其放大成一场“雪崩”。
- 引出：让一小缕光从一面镜子漏出——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这就是激光全部的量子内核了。固定的能级决定了那纯净的颜色。受激辐射把光子克隆成完美的副本。粒子数反转让“复制”压过“吸收”。镜子喂养这场雪崩。其结果，便是日常生活中最奇特的那束光——一束秩序井然到能读条形码、能跨洋传输互联网、甚至能测量到月球距离的光。