奥林巴斯显微镜激光能级介绍

粒子数反转可以在激光产生通过两个基本机制，要么通过创建过量在更高的能量状态的原子或分子，或通过减少低能态的人口。 本教程探讨了亚稳状态为3级和4级的激光系统。

本教程初始化有两个能量图窗口代表一个三级（左）和4级激光（右侧）。 定位在窗下方有一对可被用来单独地启动每个窗口能态跃迁或两个窗口一起蓝色开始的按钮。 与能源相关的状态传说描述电子色彩定位低于启动按钮。 操作教程，点击开始按钮中的一个，并检查电子是如何从基态提升到一个高度兴奋状态。 被激发后，电子将到亚稳态迁移出发通过激光跃迁回到基态（三能级激光），或以更低的激光能级（四电平激光）之前。 Applet的速度滑块可以用来调整一个舒适的观察速度教程执行顺序。

用于在激光媒质产生粒子数反转的Zui常见的方法是能量添加到系统中，以激发原子或分子到更高能级。 简单地通过热搅拌该介质增加能量是不够的（下热力学平衡），以产生粒子数反转，因为热量仅仅增加了人口的平均能量，但不会增加种类数量的激发态相对于该中较低的状态。 原子的数目在两个能级（1和2）根据热力学平衡的比率由下式给出以下等式：

N2/N1 = exp[- (E2 - E1) / kT]

其中N（1）和N（2）是原子在第1级和第2级的数目，分别E（1）和E（2）是第2级的能量，k是玻尔兹曼常数，T是在开尔文温度。 这表现在式中，在热力学平衡，N（2）可以是大于N（1）仅当温度为负数。 在描述微波激射器和激光作用的研究结果发表，物理学家称为粒子数反转为负温度 ，这是象征他们认为比热力学平衡其他任何条件不太可能持续下去。

以产生所需的粒子数反转为激光的活性，原子或分子必须是选择性地激发，以特定的能量水平。 光与电是首选大多数激光激励机制。 光线或电子可提供激发的原子或分子至选定较高的能量水平所必需的能量，而不是必需的能量的传递，直接促进电子向激光跃迁的特定上层。 一些方法可以是相当复杂的，但这些经常产生性能更好的激光器。 一种经常使用的方法激发的原子或分子至更高的能量水平比要求，在这之后下降到上激光能级。 间接激发可用于激发原子在周围的气体混合物，然后它们的能量转移到原子或分子负责产生激光作用。

如先前所讨论的，时间由原子或分子在激发状态花费的量是在确定是否会被刺激到发射和参与光子的级联，或通过自发发射失去其能量的关键。 激发态一般都只有纳秒寿命之前，他们通过自发辐射释放自己的能量，一个时期，是不是冗长的够另一个光子可能发生的刺激。 用于激光行动的一个关键的要求，因此，这是一个较长的寿命状态，是适合的上能级。 这样的状态确实存在对于某些材料，以及被称为亚稳态状态（见图1）。 自发发射前的平均寿命发生了亚稳态是一个微秒至1毫秒，时间相当长的时间上的原子的时间表的顺序。 随着寿命这么久，受激原子和分子可产生大量显著受激发射的。 激光作用是唯一可能的，如果人口积聚速度比它衰变在上部的能量级，保持人口比下水平的大。 较长的自发发光寿命，更适合的分子或原子是用于激光应用。

奥林巴斯显微镜Zui简单的功能能级结构为激光器操作是一个三电平系统，它表示在图1（a）中。 在这个系统中，地面状态是较低的激光水平，粒子数反转是此级别和较高能量亚稳态之间产生。 大部分的原子或分子的Zui初激发到短暂高能量状态比所述亚稳能级高。 从这一状态便迅速衰减到中间亚稳能级，其具有更长的寿命比较高的能量状态（通常在1000倍的数量级）。 因为在亚稳状态的每个原子的停留时间是相对长的，人口趋于增加，并导致亚稳态和下部基态（其被连续地被过稀的Zui高水平）之间的粒子数反转。 受激发射的结果，从一个事实，即多个原子都可以在上兴奋（亚稳）状态比在较低的状态下的光的吸收将Zui有可能发生。

虽然这三个级别的激光系统的工作原理对于所有的实际目的，例如为第一激光，存在的一些问题限制了这种方法的有效性。 发生的中心问题，因为较低的激光水平仪是地电平，这对于大多数的原子或分子的正常状态。 为了产生粒子数反转，大部分基态的电子必须提升到高激发能级，需要外部能量的显著输入。 另外，粒子数反转是很难维持一个可观的时间，因此，3级的激光器必须在脉冲模式而不是连续地进行操作。

利用四个或更多能级激光器避免一些上述的问题，因此是更常用的。 图1（b）示出了一个4级的场景。 的能级结构是在三电平系统类似，不同的是原子后丢弃从Zui高级别到亚稳上的状态，它们没有一路下降到基态在一个单一的步骤。 因为粒子数反转不接地状态和上层之间产生，原子或必须升高分子的数目在这个模型中显着地降低了。 在一个典型的四能级激光系统中，如果只有一个或两个百分比的原子或分子的驻留在较低的激光水平（即高于基态），那么激动人心只有2至百分之四的总到较高层次将达到所要求的粒子数反转。 从地电平分离的较低的激光水平的另一个优点是，较低层次的原子会自然落下到基态。 如果较低的激光水平具有寿命比上层短得多，原子将衰减到的速度足以避免在较低的激光水平累加地电平。 许多根据这些限制而设计的激光器可以以连续模式操作，以产生一个连续的光束。