2.3.2 集居数反转

形成集居数反转分布是克服受激辐射和受激吸收的矛盾的必要条件。

为了产生受激辐射，就必须改变粒子的常规分布状态。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，把处在低能级的发光粒子激发到高能级上去，便可使高能级E2的粒子数密度超过低能级的粒子数密度，这种状态称为粒子数反转或集居数反转，如图2-7所示。由（2-14）式知，只要T＜0，就有n2＞n1，因此，又称粒子数反转分布为负温度状态。由此可知，激光器是远离热平衡状态的系统。

图2-7 集居数反转分布

只要使发光物质处于粒子数反转的状态，受激辐射就会大于受激吸收，当频率为ν的光束通过发光物质，光强就会得到放大，这便是激光放大器的基本原理。即便没有入射光，只要发光物质中有一个频率合适的光子存在，便可像连锁反应一样，迅速产生大量相同光子态的光子，形成激光，这就是激光器的基本原理。由此可见，形成粒子数反转是产生激光或激光放大的必要条件。

一般来说，当物质处于热平衡状态时，集居数反转是不可能的。要想使处于正常状态的物质转化成反转分布状态，必须激发低能级的原子使之跃迁到高能级，且在高能级有较长的寿命，因而必须由外界向物质供给能量，从而使物质处于非热平衡状态时，集居数反转才可能实现。外界向物质供给能量，把原子从低能级激励到高能级，从而在两个能级之间实现集居数反转的过程称为泵浦（或激励、抽运）。现有的泵浦源有多种多样，如闪光灯、气体放电、化学反应热能、核能等。