受激辐射—激光的理论依据

3．受激辐射—激光的理论依据

电子的运动状态通常可以分为不同的能级，当它从高能级向低能级跃迁时，就会释放出相应能量的电磁波，即光子。在一般的发光体中，电子所释放出的光子的特性是不相同的。其所释放光子的动作是随机的，如钨丝灯发出的光。

电子轨道成像图

如果当外加的能量以电场、光子、化学等形式注入到一个能级系统并且被它所吸收的话，则会导致电子从低能级向高能级跃迁（这就是人们常说的“激光吸收”）。然后，当自发辐射产生的光子碰到那些因外加能量而跃迁的高能级电子时，则这些高能级的电子会因受到诱导而迁跃到低能级，并且释放出光子（这就是人们说的“受激辐射”）。这时，受激辐射的所有光学特性跟原来的自发辐射是一样的，包括其频率、相位、前进方向等。同时，若这些受激辐射的光子再次碰到因其他外加能量而跃上高能级的电子时，则又会再次产生更多同样的光子。直至最后，光的强度越来越大（即光线被放大了）。这时的光，与一般的光不同的是，所有的光子都有相同的频率、相位、前进方向。

电子运行轨道

激光器

人们若想做到把光放大，就需要产生一个高能级电子数目比低能量级电子数目多的环境（即粒子数反转），只有这样，才有机会让高能级电子碰上光子用以释放新的光子，而不是随机释放。

知识小百科

布·居数反射

在一个二级系统中，任何一个电子从低能级向高能级跃迁和从高能级向低能级跃迁的概率是一样的。如果为了达到把光放大的目的，则在高能级必须有更多的电子，这样，便会使“受激辐射发生的概率更高”，我们把这个状态称之为“布•居数反射”。由于这个原因，光子激发的二级系统是无法实现激光的，因此，激光通常是通过三级系统和四级系统实现的。在三级系统中，电子受激跃迁到高能级后，便会很快地转为亚稳态。在这样的状态下，激光工作物质媒介被激发为高能态，从而使“布•居数反射”得到实现。