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激励作用下的粒子数反转现象

【摘要】:只有当受激辐射的光子数多于受激吸收的光子数,介质才能对外表现出光的放大作用,才能成为激光工作介质。要实现粒子数的反转,首先介质本身的能级结构中应存在着亚稳态能级。亚稳态的存在有利于高能级上粒子的堆积,即利于实现高能级上粒子数大于低能级上的粒子数。能够产生粒子数反转分布的介质称为激活介质,也可称为激光器的工作介质。实现了粒子数反转后的激活介质对一定频率的光就具有放大作用,此时的激活介质称为增益介质。

要使原子产生受激辐射跃迁而辐射出光子,首先需使原子处于高能级上。通过外界能量的施加,使原子的能级提高,这个过程称为激励,激励过程也称为泵浦。外界激励的方式有光激励、放电激励、化学能激励、热能激励和核能激励等。对于气体激光,其常用的激励方式是气体放电激励;对固体激光的常用激励方式为光激励,如脉冲氙灯、连续氪灯或半导体激光的泵浦等。

当光通过某介质时,介质中的受激辐射和受激吸收是同时存在的。只有当受激辐射的光子数多于受激吸收的光子数,介质才能对外表现出光的放大作用,才能成为激光工作介质。一般在热平衡状态下,低能级上的粒子数总是大于高能级上的粒子数,介质对通过的光总是表现为光的吸收。只有当高能级的粒子数大于低能级上的粒子数,即实现粒子数反转,则介质才具有光增益作用。

要实现粒子数的反转,首先介质本身的能级结构中应存在着亚稳态能级。处于高能级上的原子是不稳定的,通常原子在高能级上的平均停留时间(即平均寿命)很短,是10-8s数量级。但有的能级寿命比较长,可达毫秒数量级,这些能级称为亚稳态。亚稳态的存在有利于高能级上粒子的堆积,即利于实现高能级上粒子数大于低能级上的粒子数。其次,必须有外界的激励,使介质吸收相应的能量来实现粒子从低能级到高能级的跃迁。

能够产生粒子数反转分布的介质称为激活介质,也可称为激光器的工作介质。实现了粒子数反转后的激活介质对一定频率的光就具有放大作用,此时的激活介质称为增益介质。

常见的激活介质的能级结构主要是三能级结构和四能级结构。比如,掺铬离子的红宝石晶体就是一个三能级系统,掺钕离子的YAG晶体则为一个四能级系统。相对而言,四能级系统比三能级系统更容易实现粒子数的反转。