奧林巴斯顯微鏡激光能級(jí)
粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可以在激光產(chǎn)生通過兩個(gè)基本機(jī)制，要么通過創(chuàng)建過量在更高的能量狀態(tài)的原子或分子，或通過減少低能態(tài)的人口。 本教程探討了亞穩(wěn)狀態(tài)為3級(jí)和4級(jí)的激光系統(tǒng)。
本教程初始化有兩個(gè)能量圖窗口代表一個(gè)三級(jí)（左）和4級(jí)激光（右側(cè)）。 定位在窗下方有一對(duì)可被用來單獨(dú)地啟動(dòng)每個(gè)窗口能態(tài)躍遷或兩個(gè)窗口一起藍(lán)色開始的按鈕。 與能源相關(guān)的狀態(tài)傳說描述電子色彩定位低于啟動(dòng)按鈕。 操作教程，點(diǎn)擊開始按鈕中的一個(gè)，并檢查電子是如何從基態(tài)提升到一個(gè)高度興奮狀態(tài)。 被激發(fā)后，電子將到亞穩(wěn)態(tài)遷移出發(fā)通過激光躍遷回到基態(tài)（三能級(jí)激光），或以更低的激光能級(jí)（四電平激光）之前。 Applet的速度滑塊可以用來調(diào)整一個(gè)舒適的觀察速度教程執(zhí)行順序。
用于在激光媒質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的*常見的方法是能量添加到系統(tǒng)中，以激發(fā)原子或分子到更高能級(jí)。 簡(jiǎn)單地通過熱攪拌該介質(zhì)增加能量是不夠的（下熱力學(xué)平衡），以產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因?yàn)闊崃績H僅增加了人口的平均能量，但不會(huì)增加種類數(shù)量的激發(fā)態(tài)相對(duì)于該中較低的狀態(tài)。 原子的數(shù)目在兩個(gè)能級(jí)（1和2）根據(jù)熱力學(xué)平衡的比率由下式給出以下等式：
N2/N1 = exp[- (E2 - E1) / kT]
其中N（1）和N（2）是原子在第1級(jí)和第2級(jí)的數(shù)目，分別E（1）和E（2）是第2級(jí)的能量，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是在開爾文溫度。 這表現(xiàn)在式中，在熱力學(xué)平衡，N（2）可以是大于N（1）僅當(dāng)溫度為負(fù)數(shù)。 在描述微波激射器和激光作用的研究結(jié)果發(fā)表，物理學(xué)家稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)為負(fù)溫度 ，這是象征他們認(rèn)為比熱力學(xué)平衡其他任何條件不太可能持續(xù)下去。
以產(chǎn)生所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)為激光的活性，原子或分子必須是選擇性地激發(fā)，以特定的能量水平。 光與電是*大多數(shù)激光激勵(lì)機(jī)制。 光線或電子可提供激發(fā)的原子或分子至選定較高的能量水平所必需的能量，而不是必需的能量的傳遞，直接促進(jìn)電子向激光躍遷的特定上層。 一些方法可以是相當(dāng)復(fù)雜的，但這些經(jīng)常產(chǎn)生性能更好的激光器。 一種經(jīng)常使用的方法激發(fā)的原子或分子至更高的能量水平比要求，在這之后下降到上激光能級(jí)。 間接激發(fā)可用于激發(fā)原子在周圍的氣體混合物，然后它們的能量轉(zhuǎn)移到原子或分子負(fù)責(zé)產(chǎn)生激光作用。
如先前所討論的，時(shí)間由原子或分子在激發(fā)狀態(tài)花費(fèi)的量是在確定是否會(huì)被刺激到發(fā)射和參與光子的級(jí)聯(lián)，或通過自發(fā)發(fā)射失去其能量的關(guān)鍵。 激發(fā)態(tài)一般都只有納秒壽命之前，他們通過自發(fā)輻射釋放自己的能量，一個(gè)時(shí)期，是不是冗長的夠另一個(gè)光子可能發(fā)生的刺激。 用于激光行動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵的要求，因此，這是一個(gè)較長的壽命狀態(tài)，是適合的上能級(jí)。 這樣的狀態(tài)確實(shí)存在對(duì)于某些材料，以及被稱為亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)（見圖1）。 自發(fā)發(fā)射前的平均壽命發(fā)生了亞穩(wěn)態(tài)是一個(gè)微秒至1毫秒，時(shí)間相當(dāng)長的時(shí)間上的原子的時(shí)間表的順序。 隨著壽命這么久，受激原子和分子可產(chǎn)生大量顯著受激發(fā)射的。 激光作用是*可能的，如果人口積聚速度比它衰變?cè)谏喜康哪芰考?jí)，保持人口比下水平的大。 較長的自發(fā)發(fā)光壽命，更適合的分子或原子是用于激光應(yīng)用。
奧林巴斯顯微鏡*簡(jiǎn)單的功能能級(jí)結(jié)構(gòu)為激光器操作是一個(gè)三電平系統(tǒng)，它表示在圖1（a）中。 在這個(gè)系統(tǒng)中，地面狀態(tài)是較低的激光水平，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是此級(jí)別和較高能量亞穩(wěn)態(tài)之間產(chǎn)生。 大部分的原子或分子的*初激發(fā)到短暫高能量狀態(tài)比所述亞穩(wěn)能級(jí)高。 從這一狀態(tài)便迅速衰減到中間亞穩(wěn)能級(jí)，其具有更長的壽命比較高的能量狀態(tài)（通常在1000倍的數(shù)量級(jí)）。 因?yàn)樵趤喎€(wěn)狀態(tài)的每個(gè)原子的停留時(shí)間是相對(duì)長的，人口趨于增加，并導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)和下部基態(tài)（其被連續(xù)地被過稀的*高水平）之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 受激發(fā)射的結(jié)果，從一個(gè)事實(shí)，即多個(gè)原子都可以在上興奮（亞穩(wěn)）狀態(tài)比在較低的狀態(tài)下的光的吸收將*有可能發(fā)生。
雖然這三個(gè)級(jí)別的激光系統(tǒng)的工作原理對(duì)于所有的實(shí)際目的，例如為*激光，存在的一些問題限制了這種方法的有效性。 發(fā)生的中心問題，因?yàn)檩^低的激光水平儀是地電平，這對(duì)于大多數(shù)的原子或分子的正常狀態(tài)。 為了產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，大部分基態(tài)的電子必須提升到高激發(fā)能級(jí)，需要外部能量的顯著輸入。 另外，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是很難維持一個(gè)可觀的時(shí)間，因此，3級(jí)的激光器必須在脈沖模式而不是連續(xù)地進(jìn)行操作。
利用四個(gè)或更多能級(jí)激光器避免一些上述的問題，因此是更常用的。 圖1（b）示出了一個(gè)4級(jí)的場(chǎng)景。 的能級(jí)結(jié)構(gòu)是在三電平系統(tǒng)類似，不同的是原子后丟棄從*高級(jí)別到亞穩(wěn)上的狀態(tài)，它們沒有一路下降到基態(tài)在一個(gè)單一的步驟。 因?yàn)榱Ｗ訑?shù)反轉(zhuǎn)不接地狀態(tài)和上層之間產(chǎn)生，原子或必須升高分子的數(shù)目在這個(gè)模型中顯著地降低了。 在一個(gè)典型的四能級(jí)激光系統(tǒng)中，如果只有一個(gè)或兩個(gè)百分比的原子或分子的駐留在較低的激光水平（即高于基態(tài)），那么激動(dòng)人心只有2至百分之四的總到較高層次將達(dá)到所要求的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 從地電平分離的較低的激光水平的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，較低層次的原子會(huì)自然落下到基態(tài)。 如果較低的激光水平具有壽命比上層短得多，原子將衰減到的速度足以避免在較低的激光水平累加地電平。 許多根據(jù)這些限制而設(shè)計(jì)的激光器可以以連續(xù)模式操作，以產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的光束。