2.3.3 激活粒子的能级系统

为了形成稳定的激光，首先必须有能够形成粒子数反转的发光粒子，称之为激活粒子。它们可以是分子，原子或离子。这些激活粒子有些可以独立存在，有些则必须依附于某些材料中。为激活粒子提供寄存场所的材料称为基质，基质可以是固体或是液体。基质与激活粒子统称为激光工作物质。

并非各种物质都能实现粒子数反转，在能实现粒子数反转的物质中，也并非是在该物质的任意两个能级间都能实现粒子数反转。要实现粒子数反转必须有合适的能级系统。首先必须要有激光上能级和激光下能级；除此之外，往往还需要有一些与产生激光有关的其他能级。通常的激光工作物质都是由包含有亚稳态的三能级结构或四能级结构的原子体系组成。

1.二能级系统

对于二能级系统，如图2-8所示，若原子体系受到强光的照射，处于低能级E1上的原子会

被激发到高能级E2上。但是由于B12=B21，所以，原子受激吸收速率W12和受激辐射速率W21也应相等，即W12=W21=W。

若E1和E2能级上粒子数密度分别为n1和n2，则n2的变化率为

达到稳定时，粒子数密度n2不再变化，即，由式（2-21）得到

从式（2-22）可以看出，不论使用多强的光激励，n2总是小于n1，当W非常大时，上下能级的粒子数密度才能大致相等。所以，由两个能级构成的体系中，即使有很强的入射光也不能实现粒子数的反转分布。

2.三能级系统

图2-9是典型三能级系统的示意图。理论分析和实验结果都表明，三能级系统有可能实现粒子数反转。红宝石激光器就属于三能级系统。

图2-9所示的三能级系统中，受激辐射在E1和E2两个能级之间产生。其中E1为基态，作为激光下能级，泵浦源将激活粒子从E1能级抽运到E3能级，E3能级的寿命很短（通常约为10-8s），激活粒子很快地经非辐射跃迁方式到达E2能级。E2能级的寿命（几毫秒）比E3长得多，为亚稳态，作为激光上能级。只要抽运速率达到一定程度，就可以实现E2与E1两能级之间的粒子数反转，为受激辐射创造了条件。

固体激光器中红宝石激光器的激活粒子——铬离子就属于这类能级系统，它是用强的闪光灯作为泵浦源来激励激光介质。

从上面分析可以看出，三能级系统中实现粒子数反转的上能级是E2能级，下能级是基态E1能级，由于基态能级上总是聚集着大量粒子，因此，要实现n2＞n1，外界泵浦作用需要相当强，这是三能级系统的一个显著缺点。

3.四能级系统

一种典型四能级系统如图2-10所示。与三能级系统相比，此四能级系统是在基态能级之上多了一个能级（图中E2能级）。该能级的平均寿命非常短。

四能级系统的泵浦过程与三能级系统类似。其中E3为激光上能级，E2为激光下能级，泵浦源将激活粒子从基态E1抽运到E4能级，E4能级的寿命很短，立即通过非辐射跃迁方式到达E3能级。E3能级寿命较长，是亚稳态。而E2能级寿命很短，热平衡时基本是空的，因此易于实现E3与E2两能级之间的粒子数反转。

固体激光器中的钕玻璃激光器及掺钕钇铝石榴石激光器（Nd：YAG）中的激活粒子——钕粒子便属于这类能级系统。

由于四能级系统中激光下能级是E2而不是基态，在室温下，E2能级上粒子会很快以非辐射跃迁方式回到基态E1，因此E2能级粒子数非常少，甚至是空的，因而四能级系统比三能级系统更容易实现粒子数反转。

应注意，以上讨论的三能级系统和四能级系统都是指与激光的产生过程直接有关的能级，不是说该物质只具有三个能级或四个能级。对任何一种实际的工作物质，与激光有关的能级结构和能级间跃迁特性可能是很复杂的；对于不同的工作物质，彼此又可能有很大差异。尽管如此，为了便于定量地讨论，在归纳各类激光工作物质能级结构和跃迁行为的共同特性的基础上，可以提出一些经过简化但却具有代表性的激光工作物质系统模型来进行分析，也就是所谓的三能级系统和四能级系统。