原子能级系统详解
原子能级系统详解
二能级系统
如果激光器运转过程中有关的能级只有两个，用有效的激励手段把处于下能级E1的原子尽可能多地抽运到上能级E2。设能级E1和E2上单位体积内的原子数分别为N1和N2，自发辐射、受激吸收和受激辐射的概率分别为A21、W12和W21。如果能级统计权重相等，则受激吸收系数B12和受激辐射系数B21相等，因而W12=W21=W。E2能级上粒子数N2的变化率为
可见，不管激励手段如何强，（A21+W）总是大于W，所以N2＜N1。这表明，对二能级系统的物质来说，不能实现粒子数反转。
三能级系统
如果激励过程使原子从基态E1以很大概率W抽运到E3能级，处于E3的原子可以通过自发辐射跃迁回到E2或E1。假定从E3回到E2的概率A32大大超过从E3回到E1的概率A31，也超过从E2回到E1的概率A21，则利用泵浦抽运使W＞W23或W＞W12时，E2和E1之间就可能形成粒子数反转。
先写出E3和E2上的粒子数变化率方程：
当达到稳定状态时，可推得
可见当W足够大，且W＞A21时，便有N2＞N1，从而使三能级系统中的两个能级E2和E1实现粒子数反转。红宝石激光器就是以红宝石为工作物质的三能级系统。它的E3能级寿命很短，约为5×10-8秒；而E2能级寿命很长，约为3×10-3秒，于是在E2和E1之间可能形成粒子数反转。寿命较长的能级E2称为亚稳态。由于E1为基态能级，总是集聚着大量粒子，要实现N2＞N1需要的激励动力相当强，这是三能级系统的缺点。
四能级系统
在外界激励下，基态E1的粒子大量地跃迁到E4，然后迅速转移到E3。E3能级为亚稳态，寿命较长。E2能级寿命较短，因而到达E2上的粒子会很快回到基态E1。所以在E3和E2之间可能实现粒子数反转。由于激光下能级不是基态，而是激发态E2，所以在室温下激
光下能级的粒子数很少，因而E3和E2间的粒子数反转比三能级系统容易实现。氦氖激光器、二氧化碳激光器、钕玻璃激光器以及YAG激光器都是四能级系统激光器。