什么是粒子反转？

能级反转是激光介质被激发后，处于高能态的原子数量超过处于基态的原子数量的过程。这一过程允许发生受激发射，并产生相干且单色的光束。这是激光工作原理的基础。为了实现能级反转，必须不断将原子从较低的能级激发到较高的能级，这一过程称为泵浦。激光器必须在适当的波长下进行泵浦以达到这一条件。

原子内的电子占据离散的能级。当原子处于基态时，其电子会跃迁到更高的能级。当它们返回到原来的能级时，会以光的形式释放能量，这一过程称为自发发射。如果原子受到外部光子的激发，这一过程称为受激发射。由此获得的光输出将是相干且单色的。在能级反转中，基态中的更多电子被激发到更高的能级。这一状态对激光作用是必要的，因为它允许受激发射的发生。换句话说，当处于激发态的原子数量大于基态的原子数量时，就发生了能级反转。

能级反转的条件

设N₁为基态E₁中的原子数量，N₂为高能态E₂中的原子数量。通常情况下，基态中的原子数量会高于高能态中的原子数量，这就是热平衡条件，表示为N₁>N₂。但要实现能级反转，E₂中的原子数量必须大于E₁中的数量，即N₂>N₁

_{图1：能级示意图}

泵浦机制

泵浦是为了实现能级反转条件而提供的。使用一些外部因素来增加高能级的原子数量。可以通过向激光介质（如气体、液体或固体）泵浦能量来实现。这种能量可以是热、光或电流的形式，原子吸收这些能量后会被激发并移动到更高的能级。

在某些类型的激光器中，如气体激光器，激光介质是通过外部电放电激发的。在固态激光器中，介质通常是通过闪光灯或其他激光器激发的。在半导体激光器中，介质是一个正向偏置的p-n结，以创建能级反转。

泵浦的类型

泵浦有不同的类型，包括：

光泵浦

图2：光泵浦

在光泵浦中，使用强光源来增加处于高能态的原子或分子的数量。通过提供足够的能量，光源使激光介质中的电子从较低能态跃迁到更高能态E₃。然而，高能态中的电子并不稳定，很快会通过以光的形式释放能量而去激发到下一个较低的能态或亚稳态E₂。亚稳态E₂的寿命比较低能态或基态E₁长，导致E₂态中积累的电子数量超过E₁态，从而实现能级反转。这种类型的泵浦只在固态激光器中使用，如红宝石激光器、Nd:YAG激光器等。

电泵浦

图3：电泵浦

在电泵浦中，使用外部电场或电源。通常，电泵浦用于气体激光器，如CO₂激光器、氩激光器等。当光开启时，电流流经气体。然后，激发的电子会与气体分子碰撞，这些分子会吸收能量并被激发到更高的能级。这增加了高能态原子的数量，从而实现能级反转。

热泵浦

图4：热泵浦

热泵浦利用热作为能量源或泵源来实现激光介质中的能级反转。在这种泵浦方式中，当热量被提供给激光介质时，低能态的电子会获得足够的能量并跃迁到高能级，从而导致能级反转。此方法与光泵浦或电放电方法几乎相似，唯一不同的是在此方法中使用热作为泵源，而不是光或电放电。使用热泵浦的激光器的例子包括二氧化碳激光器和化学激光器。

化学泵浦

化学泵浦是一种通过化学反应激发激光介质中的原子或分子的方法。当化学反应产生的原子或分子保持在激发态时，它们可以作为泵源。例如，当氢气与氟气结合时，产生的氟化氢分子处于激发态。这导致产生的激发态原子或分子的数量高于正常状态，从而实现能级反转。这种方法特别适合用于液体激光器。

非弹性碰撞激发

这种类型的泵浦也发生在某些气体激光器中，如氦氖激光器。在这种情况下，高速加速的电子（e^-）将与第一个气体原子（He）碰撞，这个分子会从电子那里吸收能量并跃迁到激发态。然后，激发态的原子（He^*）将与处于基态的气体分子（Ne）碰撞，并回到基态。

激发态的气体分子（Ne^*）是活动介质，激光作用由该原子引发。激光器和气体激光器是使用这种泵浦方法的激光器的例子。

不同泵浦方法使用的激光器示例：