实现粒子数反转的条件

实现粒子数反转的条件:激活介质的粒子数反转是通过化学反应的热效应，把能量转变为粒子的振动能和转动能而实现的激光系统。产生化学激光必须具备的条件是：（1）在化学反应中一定要释放出能量。（2）化学反应所释放的能量要能转化为反应产物分子的热力学能，使其形成激发态粒子。（3）要求化学反应达到特定能级的反应速率快（即泵浦速率快），使生成的激发态粒子不致在发生激光之前由于自发辐射衰减或分子间碰撞传能而消耗掉，这样才能保证到达上、下能级粒子数的反转（即粒子能在高能级上发生积累）。（4要求激发态粒子自发辐射的寿命极短，有足够的跃迁概率。粒子数反转（populationinversion）是激光产生的前提。一个原子可以在不同的能级之间跃迁。在通常情况下，因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律，使得处于基态（最低能级）的原子数远远多于处于激发态（较高能级）的原子数，这种情况得不到激光。为了形成足够的激发辐射，得到激光，就必须用一定的方法去激发原子群体，使亚稳态上的原子数目超过基态上的。该过程称为粒子数的反转。例如，氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子中的两个能级实现粒子数反转而获得激光。光学谐振腔的功能有两个。⑴提供光学正反馈作用，在腔内建立并维持激光振荡过程。激光器内的受激辐射过程通常具有自激振荡的特点，激活物质的自发辐射，在腔内多次通过处于粒子数反转状态的激活物质，从而不断地受到受激辐射的放大，这就是谐振腔的正反馈作用。它使振荡光束在腔内每运行一次，就获得足够的光增益，以克服腔内的各种光损耗和输出光损耗，形成持续的相干振荡。用光子的概念来说，就是保证振荡光子在腔内有足够长的寿命。腔的这个光学正反馈作用，决定于组成腔的两个镜面的反射率、几何形状和它们的组合方式。⑵产生对实际振荡光束的限制作用，即波型限制作用。从几何光学考虑，只有在一定方向范围内或沿一定光路范围行进的光，才可能在腔内往返足够多的次数。并且，由于多光束干涉效应，沿给定光路或给定方向行进的光束，只有波长或频率满足多光束相长干涉条件的光波，才有可能形成有效的持续振荡。这限制了振荡光束的方向和频率，即限制了振荡波型（模式）。简言之，光学谐振腔的作用有：①提供反馈能量，②选择光波的方向和频率。