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如果说，把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜（其中至少有一个是部分透射的）构成的光学谐振腔中，处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。

其中，非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外：轴向传播的光波却能在腔内往返传播，当它在激光物质中传播时，光强不断增长。

如果谐振腔内单程小信号增益G0l大于单程损耗δ（G0l是小信号增益系数），则可产生自激振荡。

原子的运动状态可以分为不同的能级，当原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的光子（所谓自发辐射）。

1951年，美国物理学家查尔斯·哈德·汤斯曾设想如果用分子，而不用电子线路，就可以得到波长足够小的无线电波。

分子具有各种不同的振动形式，有些分子的振动正好和微波波段范围的辐射相同。

但问题是如何将这些振动转变为辐射。

就氨分子来说，在适当的条件下，它每秒振动24，000，000，000次（24GHz），因此有可能发射波长为1.25厘米的微波。

便设想通过热或电的方法，把能量泵入氨分子中，使它们处于“激发“状态。

然后，再设想使这些受激的分子处于具有和氨分子的固有频率相同的微波束中---这个微波束的能量可以是很微弱的。

一个单独的氨分子就会受到这一微波束的作用，以同样波长的束波形式放出它的能量，这一能量又继而作用于另一个氨分子，使它也放出能量。

这个很微弱的入射微波束相当于起立脚点对一场雪崩的促发作用，最后就会产生一个很强的微波束。

而最初用来激发分子的能量就全部转变为一种特殊的辐射。

1953年12月，汤斯和他的学生阿瑟·肖洛终于制成了按上述原理工作的的一个装置，产生了所需要的微波束。