3．受激輻射—激光的理論依據(jù)

電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通常可以分為不同的能級(jí)，當(dāng)它從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，就會(huì)釋放出相應(yīng)能量的電磁波，即光子。在一般的發(fā)光體中，電子所釋放出的光子的特性是不相同的。其所釋放光子的動(dòng)作是隨機(jī)的，如鎢絲燈發(fā)出的光。

電子軌道成像圖

如果當(dāng)外加的能量以電場(chǎng)、光子、化學(xué)等形式注入到一個(gè)能級(jí)系統(tǒng)并且被它所吸收的話，則會(huì)導(dǎo)致電子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷（這就是人們常說(shuō)的“激光吸收”）。然后，當(dāng)自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子碰到那些因外加能量而躍遷的高能級(jí)電子時(shí)，則這些高能級(jí)的電子會(huì)因受到誘導(dǎo)而遷躍到低能級(jí)，并且釋放出光子（這就是人們說(shuō)的“受激輻射”）。這時(shí)，受激輻射的所有光學(xué)特性跟原來(lái)的自發(fā)輻射是一樣的，包括其頻率、相位、前進(jìn)方向等。同時(shí)，若這些受激輻射的光子再次碰到因其他外加能量而躍上高能級(jí)的電子時(shí)，則又會(huì)再次產(chǎn)生更多同樣的光子。直至最后，光的強(qiáng)度越來(lái)越大（即光線被放大了）。這時(shí)的光，與一般的光不同的是，所有的光子都有相同的頻率、相位、前進(jìn)方向。

電子運(yùn)行軌道

激光器

人們?nèi)粝胱龅桨压夥糯?，就需要產(chǎn)生一個(gè)高能級(jí)電子數(shù)目比低能量級(jí)電子數(shù)目多的環(huán)境（即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)），只有這樣，才有機(jī)會(huì)讓高能級(jí)電子碰上光子用以釋放新的光子，而不是隨機(jī)釋放。

知識(shí)小百科

布·居數(shù)反射

在一個(gè)二級(jí)系統(tǒng)中，任何一個(gè)電子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷和從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷的概率是一樣的。如果為了達(dá)到把光放大的目的，則在高能級(jí)必須有更多的電子，這樣，便會(huì)使“受激輻射發(fā)生的概率更高”，我們把這個(gè)狀態(tài)稱之為“布?居數(shù)反射”。由于這個(gè)原因，光子激發(fā)的二級(jí)系統(tǒng)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)激光的，因此，激光通常是通過(guò)三級(jí)系統(tǒng)和四級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。在三級(jí)系統(tǒng)中，電子受激躍遷到高能級(jí)后，便會(huì)很快地轉(zhuǎn)為亞穩(wěn)態(tài)。在這樣的狀態(tài)下，激光工作物質(zhì)媒介被激發(fā)為高能態(tài)，從而使“布?居數(shù)反射”得到實(shí)現(xiàn)。