神通激光

第三節 活潑好動的粒子

　　原子中的電子是個活潑好動的粒子，一旦有光、電、熱或衝擊等外界“刺激”，就會“蹦蹦跳跳”，在各個電子軌道間跑來跑去，使它的動能和位能產生增減變化，以致原子的內能隨之改變。原子內能的改變，表現在它的能級的變化，或者從低能級升到高能級，或者從高能級降到低能級。如前所述，原子處於高能級是不穩定的，稍遇“刺激”，就會跳到低能級去。在正常情況下，絕大多數原子處於最小能量狀態，也就是處於基態。原子處於基態時，電子的運轉軌道最小。除了處於基態的原子之外，也會有極少數的原子處於激發能級上，而且，能級越高，處於這個能級上的原子越少。這種在正常情況下原子數目按能級分布的規律，叫做玻耳茲曼分布律。處於熱平衡狀態的物質原子體係必定遵從於玻耳茲曼分布律。

　　為了獲得光的放大，必須打破物質原子體係的熱平衡狀態，使原子能級分布一反常態，使處於高能級的原子數目大大超過處於低能級的原子數目。這種反常的原子分布狀態叫做“粒子數反轉”。

　　要想使物質的原子體係處於“粒子數反轉”的分布狀態，采用單純的加熱辦法等是不能實現的。為此，科學家們采取了光激勵、放電激勵、化學激勵等一些特殊的“外界刺激”，給物質的原子體係加以能量，把處於低能級的原子激發到高能級上去。這種激發，是在人為控製下進行的，以便有選擇地使某個或某幾個較高能級上的原子數目大大增加，形成較高能級上的原子數目大大超過較低能級上的原子數目。

　　一種物質受到某種激勵以後，就會在選定的兩個能級間呈現出粒子數反轉分布狀態。這種在兩個能級間能夠呈現出粒子數反轉的物質叫做激活物質或激活媒質。氣體、液體和固體都可以成為激活物質。

　　顯然，將物質激活，使物質的原子體係的能級分布達到“粒子數反轉”，這是實現受激輻射光放大的先決條件。那麽，怎樣才能達到“粒子數反轉”呢？

　　我們假定所得到的激活物質的原子體係僅有2個能級E1和E2，在沒有外界作用的情況下處於正常的原子分布狀態，即處於低能級的原子數目多於高能級的原子數目。為了達到“粒子數反轉”，我們采取光激勵的辦法，用頻率f21=（E2——E1）/h的光束“刺激”這種物質的原子體係，使低能級E1上的原子被激發到高能級E2上去。

　　這個過程就像用水泵將低處的水抽送到高處去一樣。能級E1和E2就相當於低、高兩種不同的水位，采取的光激勵方法就好比用水泵抽水。水是用泵從低處抽送到高處去的，也可以說是泵上去的；處於低能級E1上的原子，是被頻率f21的光“刺激”到能級E2上去的。這個“刺激”叫做激勵，和水泵從低處向高處泵水相比，這個激勵又叫做“泵浦”，而所采用的頻率f21的激勵用的光就叫做“泵浦光”。

　　在上麵的僅有2個能級的激活媒質的情況下，在泵浦光的作用下，低能級E1上的原子吸收了光子能量E=f21而被激發到高能級E2上去，從而使高能級的原子數目增加。可是，在泵浦光的作用下，不隻是發生這種受激吸收，而且也發生受激輻射，或者說受激發射，即高能級的原子躍遷到低能級而放出光子。實際上，受激吸收、受激發射和自發輻射是同時存在的。在對2個能級的激活媒質進行光激勵的整個過程中，開始時低能級的原子數目比高能級的原子數目多，受激吸收過程占優勢；隨著高能級的原子數不斷增多，受激輻射和受激吸收“勢均力敵”，高能級上的原子數目增加的速度就慢下來，泵浦光的作用在這時刻隻限於補充高能級上因受激輻射而減少的原子數，使高能級的原子數目等於低能級的原子數目。這樣，在同一時間內，有多少個低能級的原子吸收光子而被激發到高能級上去，也有同樣數目的高能級的原子因受激輻射放出光子而躍遷到低能級來，因而呈現動態平衡。這種情況叫做“激勵的飽和”。因此，采取光泵浦來使2個能級的激活媒質達到“粒子數反轉”是很困難的。於是，為了實現受激輻射光放大，通常采取多能級體係來實現“粒子數反轉”。

　　我們來看看具有3個能級的原子體係，這3個能級的原子體係正好相當於水池情況，水泵把下麵水池E1中的水抽送到上麵水箱E3中去。水箱E3中的水通過下麵的管道1迅速地流到下麵水箱E2中。下麵水箱E2有兩根管道能到水池E1，一根很細的管道2，一根很粗的管道3，由於管道2很細，流量很小，而粗管道3中間被閥門阻塞住，因而下麵水箱E2就可以積聚大量的水，以致超過水池E1的水量。這時，如果有外力將閥門打開，下麵水箱E2中的水就大量地流入水池E1中去。

　　具有3個能級的原子體係和水池的情況相似。如果3個能級分別為E1、E2、E3，那麽在這3個能級之間都可能產生激發或躍遷。我們用頻率為f31=（E3——E1）/h的泵浦光照射，可以使大量的原子從能級E1激發到能級E3上去，自然也會有原子從能級E3躍遷到能級E1.如果泵浦光足夠強，能級E1上的原子大量地被激發到能級E3上去，能級E1上的原子數不斷減少，同時，原子能夠在能級E3上停留的時間極短，或者說，能級E3的壽命短，因而不斷有原子從能級E3上自發躍遷到能級E2上來。原子能夠在能級E2上停留的時間相對說較長，就是說能級E2比較穩定，叫做亞穩態能級。於是，能級E2上的原子數就可能大大超過能級E1上的原子數。假定能級E2離能級E1較近，這時在能級E2與能級E1之間就形成了粒子數反轉，成為激活媒質，可以用頻率為f21=（E2——E1）/h的光子進行激發，產生能級E2對能級E1的受激輻射躍遷。這種受激輻射光通過“諧振腔”的振蕩就可以放大而形成激光。