激光產(chǎn)生過程
以紅寶石激光器為例，原子首先吸收外部注入的能量，躍遷至受激態(tài)（E3）。原子處于受激態(tài)的時間非常短，大約為 10－7 秒后，它便會落到一個稱為亞穩(wěn)態(tài)（E2）的中間狀態(tài)。原子在亞穩(wěn)態(tài)的時間很長，大約是 10－3 秒或更長的時間。原子長時間停留在亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致在亞穩(wěn)態(tài)的原子數(shù)目多于在基態(tài)的原子數(shù)目， 此時的狀態(tài)稱就是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。其產(chǎn)生的結(jié)果就導(dǎo)致使通過受激輻射由亞穩(wěn)回到基態(tài)（E1）的原子，比通過受激吸收由基態(tài)躍遷至亞穩(wěn)態(tài)的原子為多，從而保證介質(zhì)內(nèi)的光子可以增多，從而形成激光。這就是典型的激光三能級系統(tǒng)。
當(dāng)粒子受外界能量激勵從 E1 到 E3，由于 E3 能級壽命短，很快轉(zhuǎn)移到 E2 上，因能級 E2 為亞穩(wěn)態(tài)，在 E2、E1 間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。由于下能級 E1 為基態(tài)，通常總是積聚著大量的粒子，因此要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須將半數(shù)以上的基態(tài)粒子激發(fā)到 E2 上，所以，外界激勵就需要有相當(dāng)強(qiáng)的能力。
而我們所用的 YAG 激光系統(tǒng)屬于四能級系統(tǒng)。如所示，能級 E1 為基態(tài)，
E2、E3、E4 為激發(fā)態(tài)。在外界激勵的條件下，基態(tài) E1 上的粒子大量被激發(fā)到
E4 上，又迅速轉(zhuǎn)移到 E3 上，E3 能級為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長。而 E2 能級壽命很短，E2 上的粒子又很快躍遷到基態(tài) E1，所以，四能級系統(tǒng)中，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是在
E3 與 E2 間實現(xiàn)。
也就是說，能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光下能級是 E2，不像三能級系統(tǒng)那樣， 為基態(tài) E1。因為 E2 不是基態(tài)，所以在室溫下，E2 能級上的粒子數(shù)非常少。因而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在四能級系統(tǒng)比三能級系統(tǒng)容易實現(xiàn)。常見激光器中，除摻釹釔鋁石榴石（簡 Nd3 :YAG）激光器外，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都屬四能級系統(tǒng)激光器。需要指明，以上討論的三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)都是對激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中直接有關(guān)的能級而言，不是說某種物質(zhì)只具有三個能級或四個能級。
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