粒子數反轉

粒子數反轉（population inversion）是雷射產生的前提。兩能級間受激輻射幾率與兩能級粒子數差有關。在通常情況下，處於低能級E₁的原子數大於處於高能級E₂的原子數，這種情況得不到雷射。為了得到雷射，就必須使高能級E₂上的原子數目大於低能級E₁上的原子數目，因為E₂上的原子多，發生受激輻射，使光增強（也叫做光放大）。為了達到這個目的，必須設法把處於基態的原子大量激發到亞穩態E₂，處於高能級E₂的原子數就可以大大超過處於低能級E₁的原子數。這樣就在能級E₂和E₁之間實現了粒子數的反轉。

基本介紹

• 中文名：粒子數反轉
• 外文名：population inversion
• 表達式：N2/N1 =g2/g1·exp[-(E2-E1)/kT]
• 套用學科：光電、量子光學

基礎原理

高能態粒子數大於低能態粒子數的非熱平衡狀態。在熱平衡狀態下，粒子數按能態的分布遵循玻耳茲曼分布律：

N₂/N₁ =g₂/g₁·exp[-(E₂-E₁)/kT]

式中k為玻耳茲曼常數，N₂、g₂和N₁、g₁分別為高能態E2和低能態E1的粒子數和統計權重。由於E₂>E₁，T>0，故N₁>N₂ ，即高能態上的粒子總少於低能態上的粒子數。於是原子系統的受激吸收過程總占優勢。

原子系統單位時間內從輻射場所吸收的光子數總是多於受激發射產生的光子數。如果採用適當的激勵，破壞熱平衡狀態，使高能態粒子數多於低能態粒子數，即Δ=N₂-N₁>0，就說實現了粒子數反轉，Δ稱反轉粒子數。

粒子數反轉是相對於熱平衡分布而言的。當體系處於粒子數反轉狀態時，受激輻射光子數多於被吸收的光子數，因此對光子數具有放大作用。一個雷射器要實現雷射運轉，粒子數反轉是必要條件之一。

從Δ>0可知，體系處於粒子數反轉狀態時，體系的溫度T<0，因而說體系處於負溫度狀態。這是形式上的一種說法。實際上，在熱平衡狀態下，T不能取負值。但是體系處於粒子數反轉狀態時，它並不處於熱平衡狀態。

反轉的條件

通常實現粒子數反轉要依靠兩個以上的能級：低能級的粒子通過比高能級還要高一些的泵浦能級抽運到高能級。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發雷射材料，稱為電激勵；也可用脈衝光源來照射光學諧振腔內的介質原子，稱為光激勵；還有熱激勵、化學激勵等。各種激發方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了使雷射持續輸出，必須不斷地“泵浦”以補充高能級的粒子向下躍遷的消耗量。

歷史事件

物理學家把產生雷射的機理溯源到1917年愛因斯坦解釋黑體輻射定律時提出的假說，即光的吸收和發射可經由受激吸收、受激輻射和自發輻射三種基本過程。眾所周知，任何一種光源的發光都與其物質內部粒子的運動狀態有關。當處於低能級上的粒子（原子、分子或離子）吸收了適當頻率外來能量（光）被激發而躍遷到相應的高能級上（受激吸收）後，總是力圖躍遷到較低的能級去，同時將多餘的能量以光子形式釋放出來。如果光是在沒有外來光子作用下自發地釋放出來的（自發輻射），此時被釋放的光即為普通的光（如電燈、霓虹燈等），其特點是光的頻率大小、方向和步調都很不一致。但如果是在外來光子直接作用下由高能級向低能級躍遷時將多餘的能量以光子形式釋放出來（受激輻射），被釋放的光子則與外來的入射光子在頻率、位相、傳播方向等方面完全一致，這就意味著外來光得到了加強，我們稱之為光放大。顯然，如果通過受激吸收，使處於高能級的粒子數比處於低能級的越多（粒子數反轉），這種光的放大現象就越明顯，這時就有可能形成雷射了。

此後直到1958年，美國兩位微波領域的科學家湯斯（C. H. Townes）和肖洛（A. I. Schawlaw）才打破了40年的沉寂局面，發表了著名論文《紅外與光學激射器》，指出了受激輻射為主的發光的可能性，以及必要條件是實現“粒子數反轉”。他們的論文使在光學領域工作的科學家馬上興奮起來，紛紛提出各種實現粒子數反轉的實驗方案，從此開闢了嶄新的雷射研究領域。同年蘇聯科學家巴索夫和普羅霍羅夫發表了《實現三能級粒子數反轉和半導體雷射器建議》論文。

早在1976年，Kononov等人在研究Al xi離子發射特性時已發現只有在距離靶面一定距離的空間區域才有鋁xi離子高能級與低能級之間的粒子數反轉。1968年，Baco Br等人用非線性弛豫方程與一元絕熱氣流方程聯立求解的方法，算出了拉瓦爾噴管中的粒子數反轉。1992年，有研究小組在鈉原子蒸汽中，首先觀察到無粒子數反轉條件下的光放大訊號,為進一步研究無粒子數反轉光放大邁出了重要的另一步。