粒子数反转 Population inversion

2022-11-15 13:41:59 浏览:296

定义

一种介质状态,其中高洼电子电平比低洼电平具有更高的人口。

粒子数反转是一个系统的状态,例如激光增益介质,其中较高的能级比低洼能级的人口更强烈。 这在热平衡条件下不会发生,其中水平种群由玻尔兹曼分布描述。 然而,群体反转通常很容易通过以合适的光波长进行光泵浦来实现。

从形式上讲,种群反转有时被描述为具有负温度的状态。 这是因为玻尔兹曼分布会导致负温度的这种情况,这在现实中当然不会发生。

粒子数反转和激光增益

在最简单的情况下,激光跃迁仅涉及增益介质的活性原子或离子的两个(非简并)能级:上激光能级和下激光能级。 吸收和受激发射的跃迁截面必然相同(对于任何给定波长)。 激光跃迁的净增益可以计算为上州人口(启用受激发射)产生的增益减去下州人口引起的吸收。 只有当上层激光能级的数量高于较低能级(即较高能级中有更多的激光活性原子或离子)时,才会发生正净增益(即增益大于吸收)。 换句话说,只有实现群体反转时,才能获得正激光增益。

然而,在大多数固态激光器中,粒子数反转的概念并不直接适用,因为上能级和下能级实际上由大量略有不同的能级组成。 典型的模型涉及上层和下层流形,每个流形由不同的斯塔克水平组成,此外还可以进行不均匀的展宽。 在每个水平歧管内,由于通过声子的强耦合,热平衡在皮秒内达到。 然后,使用有效的过渡截面很方便,它考虑了歧管内的热人口分布,并且吸收和受激发射通常不同。 这表明获得光放大不需要>50%反转意义上的群体反转:对于发射通常比吸收强得多的长波长,即使对于相当低的激发水平也能实现增益。

后一种现象不应与无反演的激光混淆,后者通过量子相干性在简单的原子系统中实现激光放大。

基础光学

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