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的奠定；②微波波谱学的进展；③第一台微波激射器的发明；④第一台激光
器的诞生。
（1）受激辐射概念的提出
1916年，爱因斯坦提出了受激辐射的概念。他认为，处于高能级的原子，
在一个频率与它的跃迁频率一致的光子的作用下，就会从高能级跃迁到低能
级，同时放出一个频率和运动方向同入射光子完全相同的另一个光子，于是，
一个光子变成两个光子；如果条件合适，光就可以象雪崩一样得到放大和加
强，并且这样放大的光是一般条件下得不到的“相干光”。受激辐射概念的
提出为激光器的发明奠定了理论基础。不过爱因斯坦并未想到利用受激辐射
来实现光的放大，因为在热平衡条件下，处于低能级的粒子数总是多于高能
级的粒子数，这时受激吸收总是大于受激辐射。因此，在爱因斯坦提出受激
辐射概念许多年后，这一理论并未引起人们重视。
（2）微波波谱学的发展及粒子数反转探索
微波波谱学是微波技术和波谱学相结合形成的。它不仅揭示了分子、原
子和原子核结构的细节，而且有助于研制产生短波长的相干电磁波振荡器，
为微波激射器和激光的发明准备了条件。
1921年，美国的赫耳（1880—1966）发明了产生微波振荡的磁控管，标
志着微波技术的诞生。1934年，克里通 （1907—）和威廉斯 （1870—1954）
用波长为1—4厘米的各种微波与氨分子相互作用，发现在1。25厘米处有强
烈的吸收。这是微波波谱学的最早实验。
1928年，拉登伯格（1882—1952）和克夫曼（1895—1963）在研究由于
放电受到激励的氖气的折射率时，观测到由于受激辐射引起的负色散现象，
首次从实验上证实了受激辐射的存在。1940年，原苏联的法布里坎特提出用
实验证实负吸收存在问题，分析了产生光放大的条件以及所引起的光强度和
方向性增加等问题，其中实际上已提出了后来被称为粒子数反转的概念。1946
年，美国的布洛赫等人在核磁感应实验中，初次观测到粒子数反转的现象。
1947年，兰姆（1913—）和雷瑟福 （1912—）指出，在粒子数反转的情况下
可以期望实现受激辐射。1949年，法国的卡斯特勒发展了光泵方法。这是一
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种利用光辐射改变原子能集居数的方法。虽然他没有想到用它可以实现粒子
数反转和进行光的放大，但为以后的固体激光器提供了重要的抽运手段。1951
年，美国的珀塞尔 （1912—）和庞德 （1919—）在核磁感应实验中，有意识
地把加在工作物质上的磁场突然反向，在核自旋系统中造成了粒子数反转，
结果获得50千赫的受激辐射。
1951年及其以后几年中，美国的汤斯、原苏联的巴索夫（1922—）和普
罗霍洛夫（1916—）先后分别提出利用原子和分子的受激辐射来产生和放大
微波的设计。1953年，美国的韦伯（1919—）提出了在具有永久磁偶极矩（或
电偶极矩）的物质中用改变外磁场（或外电场）的方法获得粒子数反转、从
而放大电磁波的设想。他虽未付诸实施，却对汤斯产生了影响。
（3）微波激射器的发明
第二次世界大战中雷达和微波振荡器的改进促进了微波波谱学的发展。
汤斯原来喜爱理论物理，但研制雷达的军事需要使他对微波技术逐渐熟悉，
成为这方面的专家。在哥伦比亚大学辐射实验室，他和他领导的小组致力于
分子结构及其与微波辐射相互作用的研究。他试图找到产生波长更短的相干
电磁波的方法，但长时间未获成功。这时珀塞尔和庞德在哈佛大学已经实现
了粒子数反转，不过信号太弱，人们无法利用。汤斯当时也在苦思这个问题。
他设想，如果将介质置于谐振腔内，利用振荡和反馈，就可以实现放大。汤
斯对无线电工程很熟悉，所以能够想到别人没想到的途径。
1951年，汤斯在华盛顿参加一个毫米波会议。一天清晨，他早起散步。
在公园的长凳上，呼吸着新鲜空气，静静地思考。突然头脑中迸发出一个火
花，形成了微波激射器的构思。他设想制作一种形体极小而又精致的谐振腔。
它具有可以与电磁场耦合的某种能量。汤斯只用几分钟就草拟了一个方案，
并计算出下列过程的条件：“把分子束系统的高能态从低能态分开，并使之
馈入腔中，腔中充有电磁辐射以激发分子进一步辐射，从而提供了反馈，保
持持续振荡”。汤斯很快把他的设想写在一个信封的背面，但在会上没有透
露任何信息。回到哥伦比亚后，汤斯立即召集研究组成员，开始按他的新方
案工作。成员有蔡格（1918—）和戈登。后来蔡格离开哥伦比亚，中国学生
王天眷接替他。汤斯选择了氨分子作为激活介质，因为他从理论上预测，氨
分子的锥形结构中有一对能级可以实现受激辐射，而且氨分子在电场作用
下，可以感应产生电耦极矩。1951年下半年，汤斯在伊里诺斯大学召开的亚
微波讨论会上宣布了他的这一计划。1952年初，他在《哥伦比亚辐射实验室
季度报告》上，简要介绍了他的氨微波激射器的进展。汤斯的最初设计是在
亚毫米波段。因为考虑到波长太短会带来制造振荡腔的困难，所以决定首先
试制1厘米波长的微波激射器。经过两年多的努力，花费了近3万美元，到
1954年7月，汤斯等人在《物理学评论》上著文宣布，他们研制成功第一台
高分辨率的氨分子微波激射器。他们将它命名为“微波激射放大器”，简称
脉塞。
虽然第一台微波激射器的输出功率很低，但它在激光发展史上是一个重
要的里程碑。这一发明综合运用了受激辐射、粒子数反转、放大电磁波等概
念，找到了氨分子这一实际工作系统，并设计制造了可用的装置。汤斯具有
多学科的丰富知识，既熟悉分子的性质和非平衡态情况下分子的能级分布，
又熟悉实现反馈所需要的技术装置。科学理论与实验技术的巧妙结合，是汤
斯他们获得成功的重要原因。汤斯的贡献在于：①明确了受激辐射的相干性，
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说明了受激辐射具有完全相同的频率；②为了实现反馈，在外部附加一个谐
振腔。
与此同时，许多科学家都在尝试研制微波激射器。1954年，巴索夫和普
罗霍洛夫指出，通过一个非均匀电场，可将不同能态的分子分开，将高能态
分子引入谐振腔内可产生放大。1958年末，他们制成的氨微波激射器开始运
转。美国学者布隆姆伯根（1920—）于1956年提出用顺磁材料中的塞曼能级
能做成可调谐的微波激射器。上述三人都提出了利用三能级系统的思想，为
后来微波激射器和激光器的发展指明了方向。不久，贾万提出用非线性双光
子过程进行微波放大。1957年，斯科韦耳等人实现了第一台固体三能级微波
激射器的运转。1958年，布隆姆伯根等人也制成了红宝石微波激射器。
微波激射器的产生和发展，为激光器的诞生做好了准备。既然微波可以
实现量子放大，顺理成章的是也应该找得到实现可见光放大的途径。此时，
在分子束微波波谱学和微波激射器的研究领域里，聚集了一大批科学家，开
始集中力量研制激光器。激光就如黎明时的朝阳，即将喷薄而出。一场激烈
的竞赛已经展开，但看鹿死谁手？
（4）激光器的问世
微波激射器出现以后，微波物理学家先把主攻方向转向毫米和亚毫米波
段工作的激射器。但遇到一些当时难以解决的困难。1957年，他们转向研制
红外和可见光波段工作的激射器，因为这相对容易些。
在可见光波段实现受激辐射的主要困难是：①光波段受激辐射与自发辐
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射的几率之比仅为微波波段的1／10，即在光波段实现受激辐射对自发辐射
的优势比微波波段困难得多；②采用什么样的谐振腔，如何解决谐