激光发光粒子的能级与跃迁

激光发光粒子的能级与跃迁

刘韬

北京工业大学 应用数理学院 000611班

指导教师：俞宽新

摘要弹 研究了与激光发光粒子的能级系统，包括三能级系统和四能级系统。指出四能级容易实现反转粒子数，因此效率高。同时研究了与激光发光相关的三种跃迁，即自发辐射、受激辐射、受激吸收。

关键词 三能级，四能级，自发辐射、受激辐射、受激吸收

一、引言

激光是怎样产生的？在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可能被低能级的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。

在受激辐射跃迁的过程中，一个诱发光子可以使处在上能级上的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子，这个光子又可以诱发其他光粒子，产生更多状态相同光子。这样，在一个入射光子的作用下，可以引发大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态相同的光子。这种现象被称为受激辐射光放大。（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ）.由于受激辐射产生的光子都属于同一个光子态，因此它们是相干的，通常受激辐射与受激吸收两种跃迁是同时存在的,前者使光子数增加,后者使光子数减少。当一束光通过发光物质后，究竟是光强增大还是减弱，要看这两种跃迁过程哪个占优势。在正常条件下，即常温条件以及对发光物质无激发的情况下，发光粒子处于下能级的粒子数密度大于处于上能级的粒子数密度

如果采取诸如用光照，放电等方法从外界不断地向发光物质输入能量，把处在下能级的发光粒子激发到上能级上去，便可使上能级的粒子数密度超过下能级的粒子数密度，我们称这种状态为粒子数反转。

2E 1E 产生激光的必要条件是实现粒子数反转，而为了实现粒子数反转就必须要有适合的能级系统的激活粒子。

二、能级系统

1、三能级系统

图1为三能级系统示意图。作为激光下能级，泵浦元将激活粒子从能级抽运到能级，能级的寿命很短，激活粒子很快地经非辐射跃迁方式到达能级。所谓非辐射跃迁,是指不发射光子的跃迁,它是通过释放其它形式的能量如热能而完成的。

能级的寿命比起能级要长的多，称为亚稳态，并作为激光上能级。只要抽运速率达到一定程

1E 3E 3E 2E 2E 3E E E E E E E s)

度，就可以实现与两个能级之间的粒子数反转，为受激辐射创造了条件

2E 1E 三能级系统的特点：激光下能态为基态，而作为激光上能态的中间能态在开始抽运时基本上无粒子，故至少要将基态粒子总数之半抽运到激光上能态才可以造成粒子数反转，这就需要强激励。因此，三能级系统实现激射较费力，它的效率较低。 2E 2、四能级系统

图2中的是基态，泵浦源 1E

34将激活粒子从基态抽运到能级，

4E 4E 能级的寿命很短，立即通过非 辐射跃迁的方式到达能级。

3E 3E 能级的寿命较长，是亚稳态，作激 光上能级用。能级的寿命很短， 2E 热平衡时基本上是空的，作激光下 能级用。能级上的粒子主要也是

2E 通过非辐射跃迁回到基态。这种能级系统也很容易实现粒子数反转。

四能级系统的特点：激光下能态不是基态而是一个受激态，如果它离基态充分远，则在初始时刻基本上没有粒子，故只要从基态抽运较少的粒子到激光上能级就可造成较大的反转粒子数，产生较强的激射作用。故四能级系统效率较高，容易使它连续运转。

三、跃迁

1、自发辐射

处于高能级的原子自发地向低能级

跃迁，并发出一个频率等于2E 1E 21()E E h /υ=−的光子的过程称为自发辐

射跃迁。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无

规则的射向四面八方，另外未位相、偏振状态也各不相同。这样的光相干性差，方向散乱。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。 图3 自发辐射

2、受激辐射

而受激辐射则相反。处于高能级上的原子在频率为2E 21()E E h /υ=−的辐射场激励作用下，或在频率为21()E E h /υ=−的光子诱发下，向低能级跃迁并辐射出一个与激励辐射场光子或诱发光子状态（包括频率运动方向，偏振方向，相位等），完全相同的光子的过程称为受激辐射跃迁。它是指处于高能级的原子在光子的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。这好比清晨公鸡打鸣，一个公鸡叫起来，其他的公鸡受到“刺激”也会发出同样的声音。受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的

1E 图4 受激辐射

光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。

这意味着光被加强了，或者说光被放大了。这正是产

生激光的基本过程。 3、受激吸收

处于低能级上的一个原子在频率等于

1E 21()E E h /υ=−的辐射场作用下，吸收一个光子

后向

高能级跃迁的过程称为受激吸收跃迁。 2E

图5 受激吸收

参考文献

（1）激光原理与技术，俞宽新，北京工业大学出版社，1998年3月 （2）激光原理，周炳琨，国防工业出版社，2004年8月 （3）激光原理，陈钰清，浙江大学出版社，1992年5月

（4）激光原理基础，王喜山，山东科学技术出版社 1979年12月 （5）激光技术，蓝信钜，科学出版社，2000年8月