激励作用下的粒子数反转现象

2025-09-29 理论教育版权反馈

【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。(https://www.chuimin.cn)

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。

激励作用下的粒子数反转现象

相关推荐