粒子數反轉

粒子數反轉(population inversion)是雷射產生的前提。兩能級間受激輻射幾率與兩能級粒子數差有關。在通常情況下，處於低能級E1的原子數大於處於高能級E2的原子數，這種情況得不到雷射。為了得到雷射，就必須使高能級E2上的原子數目大於低能級E1上的原子數目，因為E2上的原子多，發生受激輻射，使光增強(也叫做光放大)。為了達到這個目的，必須設法把處於基態的原子大量激發到亞穩態E2，處於高能級E2的原子數就可以大大超過處於低能級E1的原子數。這樣就在能級E2和E1之間實現了粒子數的反轉。

基礎原理

粒子數反轉

高能態粒子數大於低能態粒子數的非熱平衡狀態。在熱平衡狀態下，粒子數按能態的分布遵循玻耳茲曼分布律:

N₂/N₁ =g₂/g₁·exp[-(E2-E1)/kT]

式中k為玻耳茲曼常數，N2、g2和N1、g1分別為高能態E2和低能態E1的粒子數和統計權重。由於E2>E1，T>0，

N1N2

故N1 >N2 ，即高能態上的粒子總少於低能態上的粒子數。於是原子系統的受激吸收過程總占優勢，

g1g2

原子系統單位時間內從輻射場所吸收的光子數總是多於受激發射產生的光子數。如果採用適當的激勵，

破壞熱平衡狀態，使高能態粒子數多於低能態粒子數，

N2N1

即△=N2 - N1 > 0，就說實現了粒子數反轉，△稱反轉粒子數。

g2g1

粒子數反轉是相對於熱平衡分布而言的。當體系處於粒子數反轉狀態時，受激輻射光子數多於被吸收的光子數，因此對光子數具有放大作用。一個雷射器要實現雷射運轉，粒子數反轉是必要條件之一。

從△>0可知，體系處於粒子數反轉狀態時，體系的溫度T<0，因而說體系處於負溫度狀態。這是形式上的一種說法。實際上，在熱平衡狀態下，T不能取負值。但是體系處於粒子數反轉狀態時，它並不處於熱平衡狀態。

反轉的條件

通常實現粒子數反轉要依靠兩個以上的能級：低能級的粒子通過比高能級還要高一些的泵浦能級抽運到高能級。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發雷射材料，稱為電激勵；也可用脈衝光源來照射光學諧振腔內的介質原子，稱為光激勵；還有熱激勵、化學激勵等。各種激發方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了使雷射持續輸出，必須不斷地“泵浦”以補充高能級的粒子向下躍遷的消耗量。

泵浦

在雷射器中，外部能量通常會以光或電流的形式輸入到產生雷射的媒質之中，把處於基態的電子，激勵到較高的能級高能態（人們用“泵浦”一詞形容這一過程(如同把水從低處抽往高處))，物理學家將這種狀態稱為激發態(excitedstate)。
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說明：1996年版詞條修訂及增補的建議中已經不適用泵浦一詞，最新的標準都是使用“抽運”。