《臨床激光治療學(xué)》 二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大

在受激輻射中怎樣把粒子數(shù)提高到高能級(jí)上，總的來(lái)說(shuō)粒子數(shù)在能級(jí)上的分布有兩種：一種是熱平衡分布，即粒子體系（同種粒子）在熱平衡狀態(tài)下，各能級(jí)上的粒子數(shù)遵從玻耳茲曼分布：公式Ni＝Ne－Ei/KT，Ni為單位體積中總的粒子數(shù)，K為玻耳茲曼常數(shù)（1.38×10-6），T為絕對(duì)溫度。把兩上能級(jí)上的粒子數(shù)相比時(shí)可以看到，N2/N1＝e(-E2-E1)/KT，由于E2＞E1，而絕對(duì)T≠0，K是正整數(shù)，KT＞0因此N2＜N1。其主要原理是高能級(jí)上的粒子數(shù)，要比低能級(jí)的粒子數(shù)少（在受激發(fā)時(shí)）。光輻射在熱平衡狀態(tài)下的粒子體系在相互作用下，粒子體系吸收光子的數(shù)大于受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)，光吸收起主導(dǎo)作用。在一般的情況下觀察不到光的放大現(xiàn)象，但可以觀察到光的吸收現(xiàn)象。要想實(shí)現(xiàn)光的放大作用，必須得把熱平衡分布倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，就可使粒子數(shù)在能級(jí)中進(jìn)行另一種新的分布，即非熱平行分布。這種新的分布使高能級(jí)上粒子分布的數(shù)量大于在低能級(jí)上粒子分布的數(shù)量，即N2＞N1。這時(shí)受激輻射的過(guò)程大于吸收過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)光放大，一般常稱為粒子反轉(zhuǎn)分布。所謂的“反轉(zhuǎn)”，是對(duì)熱平衡分布比較而言。

處于高能級(jí)被反轉(zhuǎn)上去的粒子很不穩(wěn)定，常會(huì)自發(fā)在或在外加的刺激下輻射出能量，從高能級(jí)粒子躍遷到低能級(jí)上，促使粒子體系回到熱平衡分布狀態(tài)。因而可以看出，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)受激輻射的必要條件之一。粒子數(shù)如何實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布，涉及兩個(gè)方面：一是粒子體系（工作物質(zhì)）的內(nèi)結(jié)構(gòu)；二是給工作物質(zhì)施加外部作用。所講的工作物質(zhì)是指在特定條件下能使兩個(gè)能級(jí)間達(dá)到非熱平衡狀態(tài)，而實(shí)現(xiàn)光放大，不是每一種物質(zhì)都能做工作物質(zhì)。粒子體系中有一些粒子的壽命很短暫，只有10-8秒。有一部分壽命相對(duì)較長(zhǎng)些，如鉻離子在高能級(jí)E2上壽命只不過(guò)是幾個(gè)毫秒。壽命較長(zhǎng)的粒子數(shù)能級(jí)叫做亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，除鉻離子外，還有一些亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，主要有釹離子、氖原子、二氧化碳分子、氪離子、氬離子等。有了亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，在這一時(shí)間內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)某一能級(jí)與亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以達(dá)到對(duì)特定頻率輻射光進(jìn)行光放大。意即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生光放大的內(nèi)因。那外因是什么？既對(duì)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)粒子體系（主要工作物質(zhì)）增加某種的外部作用。由于熱平衡的分布中粒子體系處于低能級(jí)的粒子數(shù)，總是大于處在高能級(jí)上的粒子數(shù)，當(dāng)要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，就得給粒子體系增加一種外界的作用，促使大量低能級(jí)上的粒子反轉(zhuǎn)到高能級(jí)上，這種過(guò)程被叫做激勵(lì)，或被稱為泵浦，尤如把低處的水抽到高處一樣。

經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐，了解并掌握了一些粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的有效方法。對(duì)固體形的工作物質(zhì)常應(yīng)用強(qiáng)光照射的辦法，即為光激勵(lì)。這類工作物質(zhì)常應(yīng)用的有摻鉻剛玉、摻釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石等等。對(duì)氣體形的工作物質(zhì)，常應(yīng)用放電的辦法，促進(jìn)特定儲(chǔ)存氣體物質(zhì)按一定的規(guī)律經(jīng)放電而激勵(lì)，常應(yīng)用的工作氣體物質(zhì)，有分子氣體（如CO2氣體）及原子氣體（如He-Ne原子氣體）（見圖23）。如工作物質(zhì)為半導(dǎo)體的物質(zhì)，采用注入大電流方法激勵(lì)發(fā)光，常見的有砷化鎵，這類注入大電流的方法被叫做注入式激勵(lì)法。此外，還可應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)方法（化學(xué)激勵(lì)法）、超音速絕熱膨脹法（熱激勵(lì)），電子束甚至用核反應(yīng)中生成的粒子進(jìn)行轟擊（電子束泵浦、核泵浦）等方法，都能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。從能量角度看，泵浦過(guò)程就是外界提供能量給粒子體系的過(guò)程。激光器中激光能量的來(lái)源，是由激勵(lì)裝置，其它形式的能量（諸如光、電、化學(xué)、熱能等）轉(zhuǎn)換而來(lái)。

圖23