《臨床激光治療學(xué)》 一、光與物質(zhì)的關(guān)系

前述過光、原子、能級和光譜。物質(zhì)是由一些同類微粒組成（即原子、分子、離子）。由于這些能級處于不同的能級上，而在這些能級中，用E1及E2分別表示兩個能級量，E1所帶的能量少，屬低能級。E2所帶的能量多。為高能級（見圖18）。由于粒子所含的能量不同，總的來說粒子在低能級的占多數(shù)，高能級的占少數(shù)。因此在低能級（E1）中的粒子數(shù)大于高能級中（E2）的粒子數(shù)?？捎脠D18表示、低能級（E1E2）上粒子數(shù)的分布。

圖18　粒子二能級分布圖

光與物質(zhì)作用有三方面

（1）受激吸收低能級E1的粒子當(dāng)吸收一定頻率r21的外來光能時，粒子的能量就會增到E2＝E1＋hr21(h)表示普朗克常數(shù)），粒子就從低能級E1躍遷到高能級E2上，（見圖19），這一過程叫做受激吸收，而外來光的能量被吸收，使光減弱。粒子進(jìn)行躍遷不是自發(fā)的，要靠外來光子刺激而進(jìn)行。粒子是否能吸收發(fā)來的光子，還得取決于兩個能級（E1和E2）性質(zhì)和趨近于粒子的光子數(shù)的多少有關(guān)。而與其它方向。位相等方面就無任何限制。

（2）自發(fā)輻射處于高能級的粒子很不穩(wěn)定，不可能長時間的停留在高能級上。以氫原子為例，在高能級停留的時間只有10-8秒（粒子在高能級停留的時間為粒子的壽命，壽命長的為亞穩(wěn)態(tài)能級）。因此，在高能級E2中的粒子會迅速躍遷到低能級E1上，同時以光子的形式放出能量hr21＝E2－E1（hr21為輻射光子頻率）。（見圖20）。這一過程不受到外界的作用時完全是自發(fā)的。所產(chǎn)生的光沒有一定規(guī)律，相位和方向都不一致。不是單色光。我們在日常生活中也可以看到的如日光燈，高壓汞燈和一些充有氣體的燈，發(fā)光都是自發(fā)輻射的過程，這些光是向各個方向傳播。因此與受輻射發(fā)出的光，其相位和方向完全相反。這種以光的形式輻射出來的，叫做自發(fā)輻射躍遷。可是在躍遷的過程中有一些不產(chǎn)生光輻射的躍遷，而它們主要是以熱的運動形式消耗能量，即為無輻射躍遷。自發(fā)輻射的特點，即每一個粒子的躍遷都是自發(fā)的，孤立地進(jìn)行，也就是相互獨立，彼此無聯(lián)系。產(chǎn)生的光子雜亂無章，無規(guī)律性。

圖19　1.基能級上的粒子

2.粒子被激發(fā)到E2能級上

圖20　1.處于高能級E2上的粒子

2.粒子躍遷到低能級E1上，同時發(fā)射出一干光子

（3）受激輻射它是與受激發(fā)吸收的相反過程。處于高能級的粒子，在某種頻率r21光子誘發(fā)下，從原來所在的能級上E2，放出與外來光子完全相同光子，此時既產(chǎn)生了一個光子（受激發(fā)前后共有2個光子），使原來的能量減少△E＝hr21。把高能級上的粒子躍遷到低能級E1上的這一過程稱做受激輻射（見圖21）。

受激輻射的特點本身不是自發(fā)躍遷，而是受外來光子的刺激產(chǎn)生。因而粒子釋放出的光子與原來光子的頻率、方向傳播、相位及偏振等完全一樣，無法區(qū)別出哪一個是原來的光子，哪一個是受激發(fā)后而產(chǎn)生的光子，受激輻射中由于光輻射的能量與光子數(shù)成正比例，因而在受激輻射以后，光輻射能量增大一倍。以波動觀點看，設(shè)外來光子為一種波，受激輻射產(chǎn)生的光子為另一種波，由于兩個波的相位、振動方向，傳播的方向及頻率相同。兩個波合在一起能量就增大一倍，即通過受激輻射光波被放大。外來光子量越多，受激發(fā)的粒子數(shù)越多，產(chǎn)生的光子越大，能量越高。（參見圖22）。

圖21　1.處于高能級E2上的粒子。

2.粒子躍遷到低能級E1上，同時發(fā)射出一個光子。

圖22　受激輻射時光束放大

從上可知，受激輻射及吸收同時存在于光輻射與粒子體系，是在同一整體之中相互對立的兩個方面，它們發(fā)生的可能性是同等的，這兩個方面即受激輻射與吸收哪一個占主導(dǎo)地位，取決于粒子在兩個能級上的分布。激光器發(fā)出的激光就是利用受激輻射而實現(xiàn)的，也就是在基發(fā)態(tài)的粒子數(shù)盡可能多些。以實現(xiàn)受激輻射。