粒子数反转：实现光放大和原子分布的改变方法

激光是由受激辐射而引起的光放大。上节已指出一个光子的入射可以使处于激发态的某一原子发生受激辐射而发射出一个与入射光子状态完全相同的光子，这样由一个光子变成了两个光子，便是光放大。但受激辐射过程与吸收过程是同时存在的。上述入射光子也可能被低能级原子吸收，因此，要实现光放大，首要条件是要有大量原子处于激发态，而处于较低能级的原子数较少。

对于处于热平衡状态下的原子体系，各能级上的原子数目分布遵从式(8-5)所示的玻尔兹曼分布律

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图8-4 产生激光的四能级系统

由于E2>E1，所以平衡态下的原子体系激发态的原子数目总比低能级的原子数少，即N2＜N1。需要实现光放大就必须破坏平衡态下的原子数目分布，使N2>N1，这种与平衡相反的分布称为粒子数反转。为了使工作物质实现粒子数反转，要从外界输入能量把低能级的原子大量地激发到高能级上，这个过程称为激励、抽运或者泵浦。仅仅从外界进行激励是不够的，还必须找到能实现粒子数反转的工作物质。图8-4是一个常用的产生激光的四能级系统，大量原子处于低能级E1，在外界激励下，大量原子迅速由E1跃迁到高能级E4，但处于E4能级上的原子会迅速跃迁到亚稳态E3能级上去。由于E3能级上的原子寿命较长，因此E3能级上就停留有大量的原子，而处于E2能级上的原子数很少，这样在E3和E2能级间就实现了粒子数反转。