经过9个月的研究，物理学家西奥多•梅曼(Theodore Maiman)期待着出现一道亮丽的闪光。这是1960年的春天，梅曼与其助手艾琳•德汉宁(Irnee D’Haenens)正在加州马利布的休斯研究所工作，看看能否用强力闪光辐射来激发小小的红宝石晶体，以产生新型的光源。
当时，梅曼正在同其他6个研究团队展开竞赛，大家争先要第一个获取一种强烈的、铅笔般粗细的可见光束；而这种光在能量和峰谷排列上又有着完美的匹配。之前，其他科学家已经宣称红宝石不能产生这样的辐射，但梅曼确信能。
1960年5月16日，梅曼和德汉宁一边调高盘绕在红宝石棒外的闪光灯的电压，一边对着示波镜观察。随着强度的剧烈减弱，紧接着是剧烈增强，显示红宝石确实射出了闪光――光的相干脉冲。
兴奋之余，梅曼、德汉宁和几个同事决定重复这个实验：将其打在一块白板屏幕上来检验光束。德汉宁是个色盲，起初他无法看到晶体发出的光的颜色。但在闪光灯电压提升后，发自红宝石棒的光脉冲强得让人难以睁眼，通常人眼对红色比较敏感，而此时由于光过于眩目而无法让人注意到这个信号。
在1985年接受美国物理学会的一次采访中，德汉宁回忆道，当时只有他能看到明亮的、马蹄形的红色亮光，表明在这个团队中已经诞生了强大的光束――实现了光的放大。
这确实是一个全新的景象。德汉宁见证了激光的诞生。
50年后的今天，激光在人们日常生活中的重要性可能仅次于计算机。从焊接、剥离视网膜到在世界各地传送可视电话，从每一台CD播放器的心脏到危及生命的疾病的治疗，激光已悄悄渗入现代社会几乎每一个技术层面。
微生物学家惯常使用低能量激光轻轻“拨动”细菌、细胞，甚至DNA；医生通过柔软的光纤用激光来杀死癌细胞、粉碎肾结石以及去除人体中的赘肉和病变组织；在广阔无比的宇宙空间，激光被射向太空以便让地面望远镜得到清晰的天空图像。
阿尔伯特•爱因斯坦
爱因斯坦思想
20世纪物理科学中许多关键性的发现都与阿尔伯特•爱因斯坦(Albert Einstein)有关，激光也不例外。尽管在1916年爱因斯坦还没有类似激光器装置的概念，但他已经对光和物质间的相互关系产生了持久的兴趣。在那时，许多科学家是通过自吸收和自放射这两个过程来研究光的。
当光以适当的能量照射原子时，会发生自吸收现象。原子的最外层电子吸收能量(以光量子即光粒子的形式)后，会自发跃迁到下一个较高的能级。然而，如果缺少某些外部能源，电子就像躺倒的土豆，最终会回落到最低能级，同时释放出光量子。就像它当时吸收光量子那么快，电子自发地将光量子放射出去。太阳的可见表面、灯丝和燃烧的烛芯，它们之所以发光都源自于自放射现象。
爱因斯坦指出，为了符合量子理论和热力学原理，激光的基础还必须存在另一种放射―受激放射过程。爱因斯坦推测，如果光击中原子能激发出电子，则它也能使已处于激发态的电子辐射光并回落到较低的能级。
设想有一群原子，其电子由于吸收了光量子而处于激发态。由于最初的光已被电子吸收，再用具有同样能量的第二个光脉冲来刺激原子。爱因斯坦指出，第二个脉冲会激发电子以彼此相同的能量和动量发射光量子。“我对有关辐射的吸收和发射问题已经豁然开朗，”爱因斯坦1916年在写给其朋友米歇尔•贝索(Michele Besso)的信中这样说。
自那以后的20年里，许多物理学家都试着用受激发射理念来产生高强度相干辐射光束：每个已发射的光量子将刺激其他仍处于受激状态的电子，产生大量具有相同波长和同一方向的光量子，就像齐步走的一群士兵。但没有人知道如何将该理论用到实践中。
直到20世纪50年代受激发射原理在开发微波激射器脉塞时得到利用――脉塞(maser) 可谓是激光器莱塞(laser)的微波表兄。
虽然普遍认为是西奥多•梅曼发明了激光器(见左上角)，但他并非是在单打独斗。另外一些对激光开发做出主要贡献的人包括 (从梅曼起按顺时针方向)尼古拉•巴索夫、戈登•古尔德(右边站立者，另一位是本•塞尼茨基))、阿瑟•肖洛、罗伯特•迪克、查尔斯•汤斯、阿里•贾范(左，另两位分别是贝尔实验室的小威廉姆•R•贝内特和唐纳德•赫里奥特以及亚历山大•普罗霍洛夫
微波激射器
在二次大战期间，物理学家开发了用普通的无线电波探测敌方飞机的雷达，雷达波的波长被调得越来越短。到战争结束时，军队中有一批深谙微波技术而又为科学家们所欢迎的人员。其中有一位名叫查尔斯•汤斯(Charles Townes)的年轻物理学家，他来到了哥伦比亚大学并迷上了有关分子如何吸收和放射能量的问题。
查尔斯•汤斯(左)、吉姆•高登与氨束微波激射器，该设备的外侧板已被移走以显示出其内部结构。第一台激光器（右图）由一个闪光灯、一根红宝石棒和一个限制光的腔体构成，比1960年展示的那台更小
汤斯开始研究毫米波，因为与波长较大的波相比，它们更能影响原子和分子。他相信，如果以高强度来产生这种辐射，将改善对原子和分子结构的探测。但是没有人知道如何产生持续的、强大的毫米波源。此时，汤斯被任命为海军毫米波研究委员会的主席。
然而，一项突破性的进展来自于1951年的4月26日。此时，已作为孩子父亲的汤斯习惯性地早醒了。生怕打扰同住富兰克林公园酒店的室友、既是合作者又是未来连襟的阿瑟•肖洛(Arthur Schawlow)，汤斯蹑手蹑脚地走出房间来到了邻近公园，坐在周围盛开着红色和白色杜鹃花的长椅上在思考毫米波问题，汤斯回忆道。
汤斯知道，光量子的源――包括微波――会激发原子或分子以完全相同的频率发射光，从而增大输出信号的强度。不过还存在一个障碍，即他需要找到一种方法让更多的电子维持在高能态而不是低能态上。
一组处于热平衡状态(达到与周围环境相同的温度)的原子会带有更多未受激发的电子而不是已受激发的电子。因此任何由受激发射造成的信号的临时激发都会很快被处于低能级的电子吸收掉。相反，微波信号中的净增益会造成净损失。
“我无法确切回忆起当年解决这个谜题的每一个细节，但最关键的启发来自灵光一现，”汤斯在其1999年的回忆录中写道。“热力学第二定律假定了热平衡，但这并不真的会达到，想办法让它们稍稍偏离大自然。”
如果能造一台装置令收集到的原子或分子保持不平衡――即它们中处于高能态的比处于低能态的多――那么爱因斯坦的受激发射会导致实现输入信号的放大。汤斯的想法由于不太不成熟而未在海军委员会会议上谈论。但在他返回哥伦比亚后，就全力以赴地致力于他的想法，并尤为关注在用氢的重同位素氘产生的氨气体分子上的效果。
汤斯的策略由两部分组成。首先，使用一个变化的电场，即能将处于高能态和低能态的氨分子相分离，然后在一个腔体内分离高能分子。这个腔体是设计用来保持所发射的微波辐射在气体中来回震荡――这种辐射会激发更多的电子发射微波并使初始微波信号的振幅变得越来越大。
汤斯为此在哥伦比亚大学招募了两位年轻的研究人员，赫伯特•泽格(Herb Zeiger)和吉姆•高登(Jim Gordon)来开发该装置。该项工作前后花了三年时间，而在哥大物理系不是每个人都有这份耐心。1953年的某一天，哥大诺贝尔物理奖得主拉比(I.I. Rabi)和系主任波利卡普•库施（Polykarp Kusch，两年后也获得诺贝尔物理学奖)曾找到汤斯，劝他不要为此再浪费时间。
然而，汤斯并没理会这两位有影响的重要人物的建议。此时，他和他的学生完全有理由抱乐观态度：几乎就在同时，他们已看到了受激发射的征兆，并计划在1954年4月初宣布放大将要实现。不久他们便开发成功了第一台演示“微波受激发射放大”的设备，即脉塞。
汤斯不知道，另外的一些研究者同时也在考虑有关脉塞的类似想法。马里兰大学的乔•韦伯(Joe Weber)已发表了一篇短文，提议用受激发射作为辐射放大器。而在1954年，莫斯科列别捷夫物理研究所的亚历山大•普罗霍洛夫(Aleksandr Prokhorov)和尼古拉•巴索夫(Nikolai Basov)写了一篇有关用一束碱卤化物分子构建微波振荡器的论文。
向“莱塞”迈进
当其他研究人员对由脉塞产生的高纯度光束感到惊奇并忙着改进他们的设计时，汤斯却跃进到了更短的波长――即电磁波谱中的红外和可见光波段。
“我想开发一种红外线脉塞，因为我看到存在一种以红外波长来探测原子和分子的新途径，”汤斯说，“当我试图搞清楚如何才能把这些波长记下并写下方程式时，我确信，‘嘿，看来我们可以达到更短的波长――光波。’”
由于研制更短波长即可见光脉塞会引发新的设计需求。一些物理学家甚至声称，按照他们对量子理论的理解，是决不能实现的。汤斯同哥大的戈登•古尔德(Gordon Gould)一起，开始讨论一项有关可见光脉塞的实验安排计划。不同于脉塞的微波腔体，新设计的反射镜系统将让光源在仔细挑选出的材料中来回震荡以激发原子并增强其辐射。
古尔德意识到这样的一项设计可能会产生强烈的高密度聚焦光束，其能量远比由脉塞产生的光束强。他为此还创造出一个术语――莱塞(laser，即受激发射的光量子放大)。由于敏锐地感觉到其潜在的应用，古尔德从1957年起就开始记笔记，并作了公证（这些笔记成为了一场30年之久的专利战的一部分。在那场专利战中，古尔德最终为他的思想赢得了报酬）。
1958年，汤斯和已到新泽西州默里山贝尔实验室工作的肖洛，在一篇里程碑式的名为《红外及可见光脉塞》的论文中细化了他们的概念和设计。
论文发表后，一些团队也加入了汤斯和肖洛力争首先建成这种装置的竞争。他们都试着用不同的材料或原子来放大可见光。“你难得见到这种情况。那时没有什么统一指挥，每个人都乱作一团，”隶属美国物理学会(AIP)的物理史学家斯宾塞•沃特（Spencer Weart）指出。
在贝尔实验室，肖洛研究一种作为激光媒质的固体材料，而他的同事阿里•贾范(Ali Javan)、小威廉姆•R•贝内特(William R. Bennett)以及唐纳德•赫里奥特(Donald Herriott)正在试验氖气。与此同时，已离开哥大加入了一家私人研究公司TRG的古尔德，向军方提出了在激光中使用一种金属蒸汽的建议。
到1959年9月，在纽约卡兹奇山的一次关于量子电子的讨论会上，显然其他团队都已经加入了这场竞赛，包括梅曼和前苏联学者尼古拉•巴索夫(Nikolai Basov)和普罗霍洛夫。在那次讨论会上肖洛报告了他的分析，认为红宝石不能制造优良的用于可见光的激光媒质。
肖洛的断言当时成了梅曼在1960年5月获得如此令人惊讶成功的原因之一。一些科学家（其中许多人只是听说过梅曼）起初不愿意相信他已经超越了东海岸的每一个人，因为后者已经获得了造激光器所需的大部分经费和设备。
“这就像在赛马的冲刺阶段突然从外面闯进了某匹黑马，”沃特说。“他们甚至不知道他也在参加竞赛。”
从一开始，梅曼就采用了一种不同于其他竞争对手的策略，瞄准发展一种发射脉冲而不是持续的放大光束的激光，这样他就能使用更为基本的装置。他的装置很小看似也很简单：一根笔杆状，其两端镀银以反射光的红宝石，被安放在盘成螺旋形的闪光灯内。
当闪光灯以适当的能量被点亮时，其光量子激发红宝石内的铬离子发射出完全相同的可见光光量子。当这些光量子反射回红宝石以激发产生更多的相同光量子，直至一道明亮的、以往在实验室从未获得过的增殖光束从装置的一端射出。
物理学家知道，激光比脉塞更适合做可见光模拟。与微波装置相比，它能探测和操纵更微小的亚原子结构。
赢家与输家
梅曼在公布他的发现时格外地不走运，虽然他迅速提交了一篇论文给《物理评论通讯》杂志，却同样迅速地被编辑塞缪尔•戈德史密特(Samuel Goudsmit，著名的理论物理学家)所拒绝。他错误的认为梅曼的装置只不过是脉塞的一个无关紧要的翻版而已；也仅仅是戈德史密特的一个失误，使得一篇介绍梅曼成果的文字未能刊载在《自然》杂志1960年的8月号上。
那年7月，休斯公司在纽约市的一次新闻发布会上公布了梅曼的发明，但负责公共关系的摄影师并不认为梅曼的激光器有多么的重要。他确信梅曼是在拿比他实际使用的更大的闪光灯和红宝石棒来炫耀。由于没有公开发表的论文作参考，许多研究人员依据的是至今仍广为流传的误导性宣传照片，来复述梅曼的发现。
到了夏末，贝尔实验室的研究人员设法拿出了自己的红宝石激光器。又一次，公共关系人员插手其间，让他们将这台设备拖到贝尔实验室本部一个旧的雷达天线塔上进行演示：激光光束脉冲被发射到40公里远的新泽西州克劳佛德山上另一座贝尔的雷达塔上。演示确实取得了一些新闻效果，然而，许多报道者当时没有意识到这台装置其实并不是第一台激光器。
1960年12月，另一个贝尔科学家团队，包括贾范、贝内特和赫里奥特达到了一个新的里程碑，成功地推出了首台使用氦和氖作为激发材料的气体激光器(能产生持续的、非脉冲式的光束)。几年后，更新型号的持续光束激光改变了电讯和其他技术的面貌。
最终，首个为激光而颁发的诺贝尔物理学奖于1964年授予了道恩斯(Townes)、巴索夫和普罗霍洛夫，以表彰他们在开发激光装置方面所作的理论和实验上的贡献。肖洛因其在激光光谱学上的贡献分享了1981年诺贝尔物理学奖。
迄今，诺贝尔奖获得者有超过12位是与激光研究有关的。梅曼没有得到诺贝尔奖，尽管他被推荐进美国专利商标局国家发明家名人堂并赢得了若干国际奖项。还有古尔德，也错过了诺贝尔奖，但他的法庭战斗最终使他赢得数百万专利费。
“我觉得或许除汤斯外，每个人都认为他们没有完全得到他们应得的荣誉，”沃特说，“这就像是一份遗产，每个人都想得到其中的大部份，但总共也只有这些。”回顾以往，显然整个世界都得益于激光――虽然公众并不是第一个想到它的。
由于激光愈益变得强大，一些人转而宣扬激光是一种死光，并依据激光能穿透刮刀的层数，调侃其为“1-吉利”或“8-吉利”装置(吉利是早期由梅曼创设的测度单位。根据激光所能穿透吉利剃须刀片的层数判断激光输出功率的大小)。1964年，007系列电影《金手指》中就有一台令人印象深刻的激光器：激光器的主人一面切割金属台面，一面威胁要切割詹姆斯-邦德。
无论这种宣传的破坏潜力如何，激光已经开创了医学、通讯以及工业领域的主要成就；而生物学家和物理学家则继续在基础科学的探索中使用激光。在完善激光理论支撑时强调爱因斯坦的地位，或许只是适应其应用之一；而精细测定到月面的激光变化以检验爱因斯坦的广义相对论：如果引力比他的计算结果弱，则可能表明地-月距离是变化的。
沃特说，在激光诞生50年时赞颂爱因斯坦和激光的其他科学之父之余，或许也应当承认另一个重要的角色，那就是光本身。“我们应当为光具有如此令人惊异的现象而赞美它，”他说，因为光量子的性质“让激光器能以如此美妙的方式使用这些波长。”
资料来源 Science News
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实现光的激发：题图为现代红宝石激光器，由西奥多•梅曼首创，它依赖两种物理现象：光量子的受激发射及其放大。
除红宝石激光外的其他激光
通过改换激发材料，科学家能造出以不同波长发射的激光器，案例如下所示。
固态激光: 第一台红宝石激光是固态激光器的例子。此时，红宝石晶体发射的是694纳米的红光波长。固态激光器如今经常以玻璃或水晶制作，后者还要掺杂一些稀有元素。其中有一种是用掺钕的钇铝石榴石晶体制作，能发射1064纳米波长的红外光。
半导体激光: 在这种激光器中，小小的半导体芯片代替了红宝石棒。两层外层的半导体由中间层隔开，当不同极性的带电粒子在中间层相遇时会产生辐射。常使用砷化镓或磷化镓作为激发材料，这些装置在电磁谱的近红外及红光区域使用。它们小巧的体积和低功耗使其成为数据传输和光谱学的理想设备。这种激光器也用在CD播放器和激光指挥棒中。
染料激光: 使用有机染料，通常是用在液体解决方案中，这种激光器一般在从紫外到近红外的范围使用。若丹明(Rhodamine)6G被广为使用，因为它是发射荧光最高效的材料之一。虽然大部分产生短激光脉冲的工作要依靠这些激光器，但如今它们主要用于光谱学。
气体激光: 依靠电流通过气体放电来发光，这种激光器类型的不同型号能在完全不同的辐射条件下工作。例如氦氖激光器，产生632.8纳米的红光，但也可做成发射绿光。第一台脉塞(微波激光器)采用氨气来产生大约1.25厘米波长的辐射。基于二氧化碳的激光产生约10.6微米的辐射，而氩离子激光则能产生短至351纳米波长的光。将惰性气体和活性气体结合作为激发媒介的受激准分子激光器产生的紫外光，介于157纳米到351纳米之间，用于精细外科手术。
自由电子激光: 此时，激发媒介是一束被加速到接近光速的电子。电子束穿过一个波动的磁场导致光量子以相干的方式发射。这种激光器在功率上是最强的，频率范围也最宽；不同的型号能产生的辐射跨越远红外、可见光、紫外以及X-射线等范围，波长最低可达6.5纳米。这些装置可用于同位素分离、等离子体加热以及粒子加速。
