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激光发光粒子的能级与跃迁
刘韬
北京工业大学应用数理学院 000611 班
指导教师:俞宽新

摘要弹研究了与激光发光粒子的能级系统,包括三能级系统和四能级系统。指出四能级容易实现反
转粒子数,因此效率高。同时研究了与激光发光相关的三种跃迁,即自发辐射、受激辐射、受激吸
收。
关键词三能级,四能级,自发辐射、受激辐射、受激吸收

一、引言
激光是怎样产生的?在一个原子体系中,总有些原子处于高能级,有些处于低能级。而自发辐
射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射,也可能被低能级的原子吸收而造成受
激吸收。因此,在光和原子体系的相互作用中,自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。
在受激辐射跃迁的过程中,一个诱发光子可以使处在上能级上的发光粒子产生一个与该光子状
态完全相同的光子,这个光子又可以诱发其他光粒子,产生更多状态相同光子。这样,在一个入射
光子的作用下,可以引发大量发光粒子产生受激辐射,并产生大量运动状态相同的光子。这种现象
被称为受激辐射光放大。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).由于受激辐射产
生的光子都属于同一个光子态,因此它们是相干的,通常受激辐射与受激吸收两种跃迁是同时存在
的,前者使光子数增加,后者使光子数减少。当一束光通过发光物质后,究竟是光强增大还是减弱,
要看这两种跃迁过程哪个占优势。在正常条件下,即常温条件以及对发光物质无激发的情况下,发
光粒子处于下能级的粒子数密度大于处于上能级的粒子数密度
如果采取诸如用光照,放电等方法从外界不断地向发光物质输入能量,把处在下能级的发光粒
子激发到上能级上去,便可使上能级 E2 的粒子数密度超过下能级E1 的粒子数密度,我们称这种状
态为粒子数反转。
产生激光的必要条件是实现粒子数反转,而为了实现粒子数反转就必须要有适合的能级系统的
激活粒子。

二、能级系统
1、三能级系统
图 1 为三能级系统示意图。作为
(10-8s)
E3 E3 E3
激光下能级,泵浦元将激活粒子从 E1
E2 E2 (10-3s) E2
能级抽运到E3 能级,E3 能级的寿命
很短,激活粒子很快地经非辐射跃迁
hν
方式到达E2 能级。所谓非辐射跃迁,
E1 E1 E1
是指不发射光子的跃迁,它是通过释
图 1 三能级系统
放其它形式的能量如热能而完成的。
E2 能级的寿命比起E3 能级要长的多,称为亚稳态,并作为激光上能级。只要抽运速率达到一定程
度,就可以实现E2 与E1 两个能级之间的粒子数反转,为受激辐射创造了条件
三能级系统的特点:激光下能态为基态,而作为激光上能态的中间能态E2 在开始抽运时基本上
无粒子,故至少要将基态粒子总数之半抽运到激光上能态才可以造成粒子数反转,这就需要强激励。
因此,三能级系统实现激射较费力,它的效率较低。
2、四能级系统
图 2 中的 E1 是基态,泵浦源
(10-8s)
E4 E4
将激活粒子从基态抽运到E4 能级,
(10-3s)
E 能级的寿命很短,立即通过非 E3 E3
4 hν
辐射跃迁的方式到达E3 能级。