先用电场把激发态分子挑出来
Townes 的讲稿描述：氨分子束穿过非均匀电场，上态分子被聚向腔体，下态分子被推开。这样送进谐振跃迁的上态分子，比热平衡气体能提供的更多。
这条反演跃迁在约 23.87 吉赫。1954 年那台能工作的装置，出自 Gordon、Zeiger 和 Townes 之手；Basov 和 Prokhorov 则独立发展了相关的量子电子学思想。1964 年的奖表彰的正是这一更宽的基础。
先让发射压过吸收
谐振场能诱发分子向下跃迁，从分子束取得能量；下态分子也能吸收同一个场。净增益取决于粒子数、跃迁强度和相互作用时间，光有受激辐射还不够。
受激辐射放出的光子，也不是随便哪个光子。Einstein 在 1916 年指出，原子吸收光时朝一个方向反冲，被光诱发发射时朝相反方向反冲，所以新光子跟着触发它的那束光走。用波的语言说，光场驱动原子，原子还回来的光加进同一个光场，频率、相位和偏振都一样。自发辐射的光子朝随机方向飞走，几乎不给光束添什么。
每个能级只对应一种内部状态时，净增益看的是上态粒子比下态多多少。有些能级含有能量相同、内部安排不同的状态，比较时还要看粒子怎样分布、各条跃迁与光场耦合得多强。泵浦或选态不断补进能发射的粒子。
用跃迁本身的光持续照射两能级气体，造不出上态多出来的那部分粒子。光把粒子推下来和抬上去一样频繁，最多只能把气体漂白到接近透明。要反转，得另找路线。
光学材料也有这道难题，只是补充激发的路线不同。红宝石发射后回到通常挤满粒子的基态，泵浦得先搬走其中很大一部分，才压得过吸收。四能级路线让激光跃迁落到一个很快腾空的状态，留下来吸收激光的粒子就少。上态要送得进，下态也要腾得出。
泵浦要多强才够，用简单的速率方程就能算出来。在红宝石这样的三能级材料里，得先把一半以上的粒子搬出基态，材料才不再吸收；泵浦达不到这个速率，上态寿命再长，也只是让材料没那么不透明。四能级材料从第一个被泵上去的粒子起就有增益，但前提是激光下态腾空得比上态衰减快。腾得慢，粒子就在那里越积越多，泵浦打开后不久增益就没了。
反馈先能存住光，增益还要靠激发态
先看一个没有增益的光学腔，就能分清反馈和激发态物质各做什么。两面镜子各反射百分之九十五的功率，少量光透进去，反射回来，再和后来进入的光相加。频率合适时，返回的波步调一致，循环光场逐渐变强。漏回入口的光，还能抵消输入镜直接反射的光。两镜相同、内部不吸收、入射光又完全匹配腔模时，稳态透射功率可以等于入射功率。只把两次单程透射比例相乘，会漏掉这些反复干涉。
腔内很强的循环功率，对应外部驱动逐渐攒下的能量。关掉驱动，每次往返都有固定比例的能量逸出或被吸收，储能便按指数衰减；损耗越大，光留得越短。即使反射抵消，内部吸收仍可能分走输入功率。要像 maser 那样持续振荡，还需要激发态分子源源不断补上光场失去的能量。
反馈给振荡设下阈值
腔体把一部分场送回去，再作用一遍。在腔允许的某个频率上，小信号增益足以补上往返一圈的损耗，才可能起振。下式是关于光强的示意性光学类比，假定增益均匀、镜面功率反射率已知，并非拟合氨分子装置的方程。增益和损耗系数的单位是长度的倒数，腔长按单程计，反射率指功率比例。
越过阈值后，粒子数消耗和饱和会改变增益，稳态输出不会一直指数增长。哪个频率起振，也取决于腔体和增益谱。
来源：[1]
场要先得到一个种子
阈值说的是已有的光会增长还是衰减。以无外来种子光的光学腔为例，激发态粒子会自行放出光子，这叫自发辐射。落入腔所支持的场分布，一点光就能成为种子。阈值以下，种子大多随损耗消失；阈值以上，一点种子就可能迅速长大。等到种子和把种子放大，是启动的两段过程。
自发辐射随机发生，每次启动等到种子的时间也会不同。只看平均光强，会掩去这种差别。André、Mørk 和 Wubs 在 2020 年的随机激光动力学研究中，逐次处理发射、吸收、泵浦和腔损耗等事件，把光的平均增长与腔内光子数的起伏分开计算。
光越强，增益反而会降下来
腔里的场强起来，会让更多激发态粒子提前交出能量。可供跃迁的粒子少了，增益就降下来。新的激发态粒子不断补进来，消耗与补充逐渐平衡，增益恰好补上损耗，输出便能稳定，而不是无休止地指数增长。
光学腔允许的频率不止一个，它们像梳齿一样等距排开，自发辐射给每一个都送去种子。要是每个激发态粒子都能放大所有这些频率，它们就只能分同一份储备。离增益峰最近的频率长得最快；等它把增益压到恰好抵消自己的损耗，其余频率的增益都比损耗少一点，只能退回微弱的荧光。增益上哪怕只占一点点优势，也足以分出胜负。
两面镜子之间，来回跑的光叠成驻波，沿光束方向有固定的亮带和暗带。暗带里的激发态粒子没被用上，亮带恰好落在那里的另一个频率仍能长起来，所以常有几个频率同时留下。光只朝一个方向绕圈的环形腔，就没有这种亮暗带。
把这个过程放到光学激光器里，也能看出输出镜的取舍。几乎全反射，光留在腔里，却提取不出多少；透射太强，光逃得快，需要更大的增益才能维持振荡。合适的透射率取决于泵浦能提供多少增益，以及腔内还有多少损耗。
原理相通，历史分开讲
进入光学频段，需要适合高得多频率的材料、泵浦方式和谐振腔。Maiman 在 1960 年演示了能工作的红宝石激光器。1964 年奖表彰的是量子电子学基础，Maiman 则让光学振荡在红宝石中真正工作。
光学谐振腔还得选出一种光束形状。1961 年，Fox 和 Li 用计算追踪光在两面镜子之间来回许多趟。镜子大小有限，光场最后稳定成几种固定图样，每种图样从镜子边缘漏掉多少各不相同。曲面镜只有在某些间距下才能把光束拢在光轴附近；1966 年，Kogelnik 和 Li 把这条规则和能装进这种腔的 Gaussian 光束形状整理了出来。腔里再放一个小孔，越宽的图样损失越多，最后只剩最窄的那一种。
输出谱很窄，本身并不能证明光场的全部量子性质。Glauber 一文接着讨论：加上符合测量，还能知道什么。
在 Townes 的原图里找选态器
看 Townes 讲稿的图 1，顺着分子束追到腔的输出端。选态器送来偏离热平衡的粒子数分布，谐振腔让这些分子反复与微波场交换能量。
来源：[1]