在复杂的事物的发展过程中，有许多的矛盾存在，其中必有一种是主要的矛盾，由于它的存在和发展规定或影响著其它矛盾的存在和发展。

激光光谱学研究的是光和物质的相互作用。

可以用光来考察物质的性质（这就是“探测”），也可以用光来改变物质的性质（这就是“调控”）。当光和物质的相互作用很弱的时候，就是探测；当光和物质的相互作用很强的时候，就是调控。这两种极端情况很容易理解，但是介于二者之间的、相互作用不强也不弱的时候，就困难了——我们还是先从简单的事情讲起吧。

激光光谱学里的物质通常指的是原子（这是个统称，包括原子、分子和离子），而且主要研究的是气体形式的原子，因为这时候，原子之间的相互作用比较弱，光谱谱线可以有非常精细的结构，需要仔细地分析。在固体和液体里，原子间相互作用太强了，光谱谈不上太多的结构，也没办法仔细地分析。激光光谱学里的光指的是所有的电磁波，不仅仅是可见光、红外光和紫外光，还包括微波、太赫兹、伽马光、X射线什么的，一切的一切。

激光光谱学里的基本粒子就是原子和光子，这并不是说它们就不生不灭了，而是说它们是研究的出发点。为了研究它们，就要知道如何描述它们，就要知道它们的状态（每个粒子自身的特性）、统计性质（同样的粒子如何相处）和相互作用（不同的粒子如何相处）。

首先说说什么是基本粒子的状态。光子的状态比较简单，就是光的偏振、波长和传播方向，由此可以得到能量、动量、频率、圆频率和波矢等等，因为它们都是由基本物理学常数如光速和普朗克常数等联系在一起的。这是真空中的光子状态（也叫作“模式”），至于说材料中的光子状态，就要考虑材料的折射率和边界条件，而折射率不仅依赖于光的波长，还可能依赖于光的强度（“非线性效应”）。原子的状态很复杂，不仅因为有很多种原子（还有分子和离子），还因为每种原子的状态就非常复杂。幸运的是，对于初学激光光谱学的人来说，不需要了解得那么仔细，只需要知道有一些“量子数”可以描述原子的状态，包括能量、角动量、角动量在某个特定方向的投影、以及自旋，等等。更多的细节需要专门的理论（原子分子物理学），而这个理论是和激光光谱学实验互相促进、相辅相成的。无论是光子的状态，还是原子的状态，并不是可以任意取值的，而是要满足一些条件（“量子化条件”），细节就不讲了。

我们研究的往往不是一个原子或光子，而是很多个，这就要讨论它们的统计性质，简单地说，在一个状态里，可以有多少个相同的粒子。经典物理学不存在这个问题，因为他认为每个粒子都是不一样的、都是可以跟踪的，但是量子物理学不这样认为，有些粒子确实是一模一样的、完全分不清楚，它们被称为全同粒子。简单地说，有两种全同粒子，一种叫玻色子，每个状态里原则上可以放任意多个玻色子（这就是“玻色分布”），另一种叫费米子，每个状态里最多只能放一个费米子（这就是“费米分布”）。光子都是玻色子，原子则要看情况，把构成原子的电子、质子和中子的数目加起来，如果是偶数，这个原子就是玻色子，如果是奇数，这个原子就是费米子。这个差别有时候很重要，特别是在温度很低的时候，因为那时候才需要抱团取暖呀。当然，原则归原则，现实是现实，在一般的实验条件下，玻色分布和费米分布并没有太大的差别，因为它们都退化成了经典统计物理学里的“玻尔兹曼分布”了。

原子和光的相互作用，说复杂也很复杂，但是初学者可以先不管那么多，就用个简单的图像凑合吧。原子可以吸收光，也可以发射光，不管吸收还是发射，原子的状态都会改变，这就叫“跃迁”。当然，跃迁不是随心所欲的，而是要满足一些条件，比如说，能量守恒条件（吸收或发射光子的能量，必须等于跃迁前后两个状态的能量差），比如说，角动量守恒，以及“波函数宇称”的要求，等等（这些通常被称为“选择定则”）。这些条件实际上让事情变得简单多了，因为对于特定的光子来说，只有很少的几个状态（能级）可以跟它发生相互作用。原子和光的相互作用，也可以这样来理解：原子是由带正电的原子实和带负电的电子组成的，光就是电磁波、具有不断变化的电场和磁场，光的电磁场扰动了电子（主要是电子，因为原子实太重了），从而改变了原子的状态。

原子和光有了相互作用，接下来就要问，相互作用怎么算强、怎么算弱呢？这个可以用个简单的模型来说明一下。考虑一个原子，它有两个状态（通常称为“上能级”和“下能级”），可以和某个状态（模式）里的光子发生相互作用。为了方便起见，我们假设原子上能级和下能级的能量差必须等于光子的能量，而且满足所有的选择定则（否则它们就不会发生相互作用）。原子通常呆在下能级上，因为那里的能量低；即使不小心跑到了上能级，也不会老呆在那里，而是过一段时间就会跳下来，这就是“自发辐射”。如果有光存在，呆在下能级的原子会吸收光而跳到上能级，这个几率正比于模式里光子的总数，这就是“受激吸收”；同样，呆在上能级的光子，也会因为“受激发射”而从跳下来，这个几率也正比于模式里光子的总数。因为跳下来可能因为自发辐射（模式里没有光），也可能因为受激发射（模式里有很多光），那么，原子和光的相互作用的强弱就有了一个简单的判据：如果原子跳下来更多的是因为自发辐射，那么相互作用就弱；如果主要是因为受激发射，那么相互作用就强。

上面这个判据也可以用来区分激光和普通的光源（比如说太阳）。光有很多状态（模式），对于普通的光源来说，每个模式里的光子很少（远小于1个），而对于激光来说，绝大多数模式里的光子数仍然很少，但是有那么几个模式里，光子数非常多（远多于1个）。。激光的单色性好、方向性强等优点，就是因为这个缘故（一个很粗糙的说法是，“光的相干性”其实就是描述了这样的模式到底是多还是少）。此外，一个模式里的光子数越多，这个模式的光与原子的相互作用就越强，因为受激吸收和受激发射都依赖于模式里的光子数。

好了，现在对原子和光子的状态、统计性质和相互作用有了一些粗浅的了解，接下来就可以开始学习激光光谱学了。