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原子布居反转

1950
Gas laser apparatus demonstrating atomic population inversion in laser physics.

(图片仅供参考)

粒子数反转是指原子或分子系统中处于较高激发态的粒子数多于处于较低激发态的粒子数的一种状态。这种非平衡状态是受激辐射光放大的先决条件。如果没有粒子数反转,吸收将占主导地位,无法获得净增益,激光作用也就无法实现。

在正常的热平衡状态下,能级分布遵循玻尔兹曼分布,这意味着低能级的原子数总是多于高能级的原子数。为了实现激光作用,这种自然状态必须发生反转。原子数反转是指处于激发态的原子数 N₂ 大于处于低能级的原子数 N₁,即 N₂ > N₁。这是实现净光增益的必要条件,因为受激发射速率(与 N₂ 成正比)必须大于吸收速率(与 N₁ 成正比)。

实现粒子数反转需要外部能量源,这一过程称为“泵浦”。常见的泵浦方法包括光泵浦(使用闪光灯或其他激光器)、电放电(在气体激光器中)和直流注入(在半导体激光器中)。系统被“泵浦”到高能级,然后迅速衰变到寿命相对较长的“亚稳态”上激光能级。下激光能级被设计成快速衰变,以确保其保持未激发状态。这就在亚稳态上能级和快速衰变的下能级之间实现了粒子数反转。这通常使用三能级或四能级能级方案来实现,其中四能级系统效率更高,因为下激光能级不是基态,更容易保持未激发状态。

UNESCO Nomenclature: 2210
- 光学

类型

物理原理

中断

基础

用法

广泛使用

前体

  • 受激辐射理论(爱因斯坦)
  • 量子力学和离散能级(玻尔、薛定谔)
  • 热平衡的玻尔兹曼统计
  • 脉塞的发展(汤斯、巴索夫、普罗霍罗夫)

应用程序

  • 所有类型的激光器(气体激光器、固态激光器、半导体激光器)
  • 微波激射器
  • 光放大器
  • 超辐射实验
  • 原子钟

专利:

NA

潜在创新理念

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相关术语:粒子数反转、激光、微波激射器、受激辐射、光增益、泵浦、亚稳态、非平衡态、玻尔兹曼分布、能级。

历史背景

原子布居反转

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(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

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