神通激光

第三节 活泼好动的粒子

　　原子中的电子是个活泼好动的粒子，一旦有光、电、热或冲击等外界“刺激”，就会“蹦蹦跳跳”，在各个电子轨道间跑来跑去，使它的动能和位能产生增减变化，以致原子的内能随之改变。原子内能的改变，表现在它的能级的变化，或者从低能级升到高能级，或者从高能级降到低能级。如前所述，原子处于高能级是不稳定的，稍遇“刺激”，就会跳到低能级去。在正常情况下，绝大多数原子处于最小能量状态，也就是处于基态。原子处于基态时，电子的运转轨道最小。除了处于基态的原子之外，也会有极少数的原子处于激发能级上，而且，能级越高，处于这个能级上的原子越少。这种在正常情况下原子数目按能级分布的规律，叫做玻耳兹曼分布律。处于热平衡状态的物质原子体系必定遵从于玻耳兹曼分布律。

　　为了获得光的放大，必须打破物质原子体系的热平衡状态，使原子能级分布一反常态，使处于高能级的原子数目大大超过处于低能级的原子数目。这种反常的原子分布状态叫做“粒子数反转”。

　　要想使物质的原子体系处于“粒子数反转”的分布状态，采用单纯的加热办法等是不能实现的。为此，科学家们采取了光激励、放电激励、化学激励等一些特殊的“外界刺激”，给物质的原子体系加以能量，把处于低能级的原子激发到高能级上去。这种激发，是在人为控制下进行的，以便有选择地使某个或某几个较高能级上的原子数目大大增加，形成较高能级上的原子数目大大超过较低能级上的原子数目。

　　一种物质受到某种激励以后，就会在选定的两个能级间呈现出粒子数反转分布状态。这种在两个能级间能够呈现出粒子数反转的物质叫做激活物质或激活媒质。气体、液体和固体都可以成为激活物质。

　　显然，将物质激活，使物质的原子体系的能级分布达到“粒子数反转”，这是实现受激辐射光放大的先决条件。那么，怎样才能达到“粒子数反转”呢？

　　我们假定所得到的激活物质的原子体系仅有2个能级E1和E2，在没有外界作用的情况下处于正常的原子分布状态，即处于低能级的原子数目多于高能级的原子数目。为了达到“粒子数反转”，我们采取光激励的办法，用频率f21=（E2——E1）/h的光束“刺激”这种物质的原子体系，使低能级E1上的原子被激发到高能级E2上去。

　　这个过程就像用水泵将低处的水抽送到高处去一样。能级E1和E2就相当于低、高两种不同的水位，采取的光激励方法就好比用水泵抽水。水是用泵从低处抽送到高处去的，也可以说是泵上去的；处于低能级E1上的原子，是被频率f21的光“刺激”到能级E2上去的。这个“刺激”叫做激励，和水泵从低处向高处泵水相比，这个激励又叫做“泵浦”，而所采用的频率f21的激励用的光就叫做“泵浦光”。

　　在上面的仅有2个能级的激活媒质的情况下，在泵浦光的作用下，低能级E1上的原子吸收了光子能量E=f21而被激发到高能级E2上去，从而使高能级的原子数目增加。可是，在泵浦光的作用下，不只是发生这种受激吸收，而且也发生受激辐射，或者说受激发射，即高能级的原子跃迁到低能级而放出光子。实际上，受激吸收、受激发射和自发辐射是同时存在的。在对2个能级的激活媒质进行光激励的整个过程中，开始时低能级的原子数目比高能级的原子数目多，受激吸收过程占优势；随着高能级的原子数不断增多，受激辐射和受激吸收“势均力敌”，高能级上的原子数目增加的速度就慢下来，泵浦光的作用在这时刻只限于补充高能级上因受激辐射而减少的原子数，使高能级的原子数目等于低能级的原子数目。这样，在同一时间内，有多少个低能级的原子吸收光子而被激发到高能级上去，也有同样数目的高能级的原子因受激辐射放出光子而跃迁到低能级来，因而呈现动态平衡。这种情况叫做“激励的饱和”。因此，采取光泵浦来使2个能级的激活媒质达到“粒子数反转”是很困难的。于是，为了实现受激辐射光放大，通常采取多能级体系来实现“粒子数反转”。

　　我们来看看具有3个能级的原子体系，这3个能级的原子体系正好相当于水池情况，水泵把下面水池E1中的水抽送到上面水箱E3中去。水箱E3中的水通过下面的管道1迅速地流到下面水箱E2中。下面水箱E2有两根管道能到水池E1，一根很细的管道2，一根很粗的管道3，由于管道2很细，流量很小，而粗管道3中间被阀门阻塞住，因而下面水箱E2就可以积聚大量的水，以致超过水池E1的水量。这时，如果有外力将阀门打开，下面水箱E2中的水就大量地流入水池E1中去。

　　具有3个能级的原子体系和水池的情况相似。如果3个能级分别为E1、E2、E3，那么在这3个能级之间都可能产生激发或跃迁。我们用频率为f31=（E3——E1）/h的泵浦光照射，可以使大量的原子从能级E1激发到能级E3上去，自然也会有原子从能级E3跃迁到能级E1.如果泵浦光足够强，能级E1上的原子大量地被激发到能级E3上去，能级E1上的原子数不断减少，同时，原子能够在能级E3上停留的时间极短，或者说，能级E3的寿命短，因而不断有原子从能级E3上自发跃迁到能级E2上来。原子能够在能级E2上停留的时间相对说较长，就是说能级E2比较稳定，叫做亚稳态能级。于是，能级E2上的原子数就可能大大超过能级E1上的原子数。假定能级E2离能级E1较近，这时在能级E2与能级E1之间就形成了粒子数反转，成为激活媒质，可以用频率为f21=（E2——E1）/h的光子进行激发，产生能级E2对能级E1的受激辐射跃迁。这种受激辐射光通过“谐振腔”的振荡就可以放大而形成激光。