粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是怎樣？應(yīng)該是“粒子數(shù)分布反演”？也就是說(shuō)，高能態(tài)的粒子數(shù)比低能態(tài)的粒子數(shù)多。粒子數(shù)的反演與熱平衡分布有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，受激光子的數(shù)目大于被吸收光子的數(shù)目，因此可以放大光

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是怎樣？

應(yīng)該是“粒子數(shù)分布反演”？也就是說(shuō)，高能態(tài)的粒子數(shù)比低能態(tài)的粒子數(shù)多。粒子數(shù)的反演與熱平衡分布有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，受激光子的數(shù)目大于被吸收光子的數(shù)目，因此可以放大光子的數(shù)目。激光運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件之一是粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。在正常熱平衡狀態(tài)下，粒子數(shù)分布滿足玻耳茲曼分布規(guī)律，因此不可能對(duì)粒子數(shù)分布進(jìn)行反演。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)該用適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)來(lái)破壞熱平衡態(tài)，構(gòu)造粒子數(shù)分布的反演

愛(ài)因斯坦在1917年提出了受激輻射，但激光發(fā)明于1960年，時(shí)隔43年。為什么？主要原因是普通光源中粒子產(chǎn)生受激輻射的概率很小。當(dāng)一定頻率的光注入工作物質(zhì)時(shí)，受激輻射和受激吸收同時(shí)存在。受激輻射會(huì)增加光子的數(shù)量，但受激吸收會(huì)減少光子的數(shù)量。當(dāng)物質(zhì)處于熱平衡時(shí)，粒子在各能級(jí)的分布遵循平衡態(tài)粒子的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，低能級(jí)E1的粒子數(shù)必須大于高能級(jí)E2的粒子數(shù)。這樣，當(dāng)光通過(guò)工作物質(zhì)時(shí)，光的能量只會(huì)減弱，而不會(huì)增強(qiáng)。為了使受激輻射占主導(dǎo)地位，高能級(jí)E2的粒子數(shù)必須大于低能級(jí)E1的粒子數(shù)。這種分布與平衡態(tài)的粒子分布正好相反，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反演是激光產(chǎn)生的必要條件。

理論研究表明，在適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)條件下，任何工作物質(zhì)都可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)在粒子系統(tǒng)的特定高能級(jí)和低能級(jí)之間的反轉(zhuǎn)。

為什么兩能級(jí)物質(zhì)無(wú)法形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的前提。

兩個(gè)能級(jí)之間受激輻射的概率與兩個(gè)能級(jí)之間粒子數(shù)的差異有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，低能級(jí)E1的原子數(shù)大于高能級(jí)E2的原子數(shù)。為了獲得激光，必須使高能能級(jí)E2的原子數(shù)大于低能能級(jí)E1的原子數(shù)。因?yàn)镋2中有許多原子，所以會(huì)產(chǎn)生受激輻射，光會(huì)增強(qiáng)（也稱為光放大）。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們必須嘗試激發(fā)大量基態(tài)原子到亞穩(wěn)態(tài)E2。高能級(jí)E2的原子數(shù)可以大大超過(guò)低能級(jí)E1的原子數(shù)。這樣，在能級(jí)E2和E1之間實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。

什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？

一般來(lái)說(shuō)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)依賴于兩個(gè)以上的能級(jí)：低能級(jí)粒子被高于高能級(jí)的泵浦能級(jí)抽到高能級(jí)。一般來(lái)說(shuō)，我們可以用氣體放電來(lái)激發(fā)具有動(dòng)能的電子來(lái)激發(fā)激光材料，這稱為電激發(fā)；也可以用脈沖光源照射光諧振腔內(nèi)的介質(zhì)原子，這稱為光激發(fā)；還有熱激發(fā)、化學(xué)激發(fā)等。各種勵(lì)磁模式可視為泵或泵。為了使激光連續(xù)輸出，需要連續(xù)泵浦以補(bǔ)充高能粒子向下躍遷的消耗。