神通激光

第二節 粒子“三遷”有緣故

　　我們知道，原子的運動狀態和內能變化，可以用一檔一檔的能級圖來表達。實際的原子能級是複雜的。為了簡便，我們可以選取任意兩個能級來進行分析。兩個能級分別是：原子內能較低的能級1（不一定是基態）能量為E1，叫做低能級；原子內能較高的能級2，能量為E2，叫做高能級。能級的高與低，是兩個能級相比較來說的。這樣選取能級，並不影響問題實質，卻使問題大為簡化。

　　我們假定，所觀察的物質是一些同類的原子，其中有一部分原子處於低能級，原子具有能量E1；另一部分原子處於高能級，原子具有能量E2.我們用能級圖來表示，一個個小圓圈代表處於低能級的原子，一個個小黑點代表處於高能級的原子。在沒有外力作用的情況下，原子中的電子通常都盡可能沿著離原子核較近的軌道運動，因而處於低能級的原子數多於高能級的原子數，反映在能級圖上，小圓圈的數目要比小黑點的數目多。

　　在光照的“刺激”下，原子中的電子與核之間的距離就會改變，因而原子的內能發生變化，就是說，原子的能級發生變動。在研究光子與原子之間的相互作用時，人們發現它們的相互作用具有自發輻射、受激吸收和受激輻射這3種不同性質的過程。

　　（1）自發輻射

　　我們先來觀察一個小實驗吧。拿一些乒乓球來，隨便往樓梯上一撒，結果怎樣呢？我們可以看到，有幾個球落在各級台階上，大多數球都跳落到最下邊的平台處。而且，稍加踢碰，甚至用扇子一扇，台階上的乒乓球就會滾跳到下邊的平台去。平台處的乒乓球是穩定的，沒有誰幫助它們，是不會往台階上跳躍起的。這是因為，任何物體在地球引力的作用下都具有“位能”，或叫“勢能”。台階上的球位能高，不穩定；平台處的球位能低，最穩定。

　　原子可能處於不同的能級，如同上麵的小實驗，處於高能級的原子不穩定，總是力圖向低能級躍遷。正像樹上的蘋果有向下掉的趨勢一樣，一旦成熟，或有風吹雨打，就會落到地上來。我們任意選兩個能級E1和E2，說明原子的躍遷問題。在沒有任何外界作用的情況下，處於能量較高軌道上的電子也可能自發地跑到能量較低的軌道上，也就是說，原子自發地產生從較高能級E2到低能級E1的躍遷，這叫做自發躍起遷。在自發躍遷時，原子從高能級降到低能級，就會將多餘的能量釋放出來。所釋放出來的能量等於這兩個能級的能量差，即E2——E1.

　　自發躍遷有兩種形式：一種是無輻射躍遷，釋放出的能量變為原子熱運動的能量；另一種是自發輻射躍遷，釋放出的能量以光的形式輻射出來。在自發輻射過程中，兩個能級的能量差轉變為光子的能量，因而光子的頻率f21由發生躍遷的兩個能級的能量差來決定，即：

　　f21=（E2——E1）/h（10——1）

　　其中，h叫做普朗克常數，它是以德國物理學家普朗克命名的。如前所述，普朗克在用“量子”理論解釋電磁現象時指出：電磁波的發射和吸收不是連續的，而是一份一份地成量子的狀態進行的，每一份就是一個能量子，每一份能量都是一個常數h的整數倍，即hf。f是光波的頻率，h為普適恒量，實驗測得h=6.63×10——34焦/秒。後來，愛因斯坦在闡述光電效應時指出：光在傳播的過程中具有波動的特性，光在發射和吸收的過程中卻有類似粒子的性質。光隻能一份一份地發射，一份一份地吸收，發射和吸收的能量都是光的某個最小的一份能量的整數倍，這最小的一份能量就叫做光子。光子的能量E為E=hf（10——2）

　　式中，f為光的頻率，h為普朗克常數。

　　自發輻射發光的特點是，處於高能級的各個原子都獨立地、自發地躍遷，相互沒有什麽關係。不同的原子可能是在不同的能級之間發生躍遷，可能有各種各樣的頻率。即使有些原子是在相同的能級間實現躍遷，因而發光頻率相同，但是它們發出的光在振動方向和振動相位上也是雜亂無章的。一切自然光，如陽光、燈光、火光，都屬於自發輻射發光。

　　（2）受激吸收

　　一個處於低能級E1的原子，當有一個頻率為f21=（E2——E1）/h的外來光子逼近它時，這個原子就有可能吸收光子的能量E=hf21=E2——E1，從而躍遷到高能級E2去。原子原來具有能量E1，吸收了光子的能量E，這樣，原子躍遷到高能級後所具有的能量為E1+hf21=E1+（E2——E1）=E2.這就表明，原子從原來的低能級E1被激發到高能級E2上去了，也就是說，原子中的一個電子吸收了外界能量而跑到離核較遠的軌道上去，從而使原子的能量有所增加。這個過程叫做光的受激吸收。

　　受激吸收過程不是自發產生的，而是在外來光子的“刺激”下發生的。隻要外來光子的頻率（或能量）符合（10——1）式條件，受激吸收就會發生。譬如說，用光照射某種物質，光越強，物質中原子吸收的光子就越多，受激發的原子也越多；光越弱，物質中原子吸收的光子就越少，受激發的原子也越少。

　　（3）受激輻射

　　一個處於高能級E2的原子，當有一個頻率為f21=（E2——E1）/h的外來光子逼近它時，這個原子受到光的“刺激”，便有可能從高能級E2躍遷到低能級E1，同時輻射出一個光子來，這個光子的能量為E2——E1，頻率與外來光子的頻率相同。這就表明，原子從高能級降到了低能級，也就是說，原子中處於能量較高軌道上的電子，在外界入射光的“刺激”下被迫躍遷到能量低的軌道上，從而發出光來。這個過程就叫做光的受激輻射。

　　受激輻射過程不是自發產生的，而是在外來光子的“刺激”下發生的。由於受激輻射出來的光子是受外來光子“刺激”產生的，因而它與外來光子一模一樣，不僅頻率相同，都是f21，而且傳播方向、振動方向和振動相位都是完全一致的。如果以外來的光子代表入射光波，那麽，在受激輻射過程之後，由兩個光子代表輸出光波，結果輸出光波的能量比入射光波的能量增大了一倍，換句話說，光波的振幅通過受激輻射而被放大了。實際上，這就是激光產生的基本原理。

　　上述的光的自發輻射、受激吸收和受激輻射，通常是同時存在的。受激吸收和受激輻射顯然是互相矛盾的，因為受激吸收是原子在光照作用下，從低能級被激發到高能級上去，結果吸收光子，光場被減弱；而受激輻射是原子在光照作用下，從高能級躍遷到低能級去，結果又輻射出光子來，光場被增強，即光被放大。但是，在原子正常能級分布情況下，由於低能級上的原子數目較多，所以總是以光的受激吸收占優勢，因而光總是衰減的。要想獲得光的放大，必須沒法使光的受激輻射占優勢，也就是說，必須使處於高能級上的原子數目遠多於處於低能級上的原子數目，這樣就可以使受激輻射過程勝過受激吸收過程，從而實現激光放大。