神通激光

第二节 粒子“三迁”有缘故

　　我们知道，原子的运动状态和内能变化，可以用一档一档的能级图来表达。实际的原子能级是复杂的。为了简便，我们可以选取任意两个能级来进行分析。两个能级分别是：原子内能较低的能级1（不一定是基态）能量为E1，叫做低能级；原子内能较高的能级2，能量为E2，叫做高能级。能级的高与低，是两个能级相比较来说的。这样选取能级，并不影响问题实质，却使问题大为简化。

　　我们假定，所观察的物质是一些同类的原子，其中有一部分原子处于低能级，原子具有能量E1；另一部分原子处于高能级，原子具有能量E2.我们用能级图来表示，一个个小圆圈代表处于低能级的原子，一个个小黑点代表处于高能级的原子。在没有外力作用的情况下，原子中的电子通常都尽可能沿着离原子核较近的轨道运动，因而处于低能级的原子数多于高能级的原子数，反映在能级图上，小圆圈的数目要比小黑点的数目多。

　　在光照的“刺激”下，原子中的电子与核之间的距离就会改变，因而原子的内能发生变化，就是说，原子的能级发生变动。在研究光子与原子之间的相互作用时，人们发现它们的相互作用具有自发辐射、受激吸收和受激辐射这3种不同性质的过程。

　　（1）自发辐射

　　我们先来观察一个小实验吧。拿一些乒乓球来，随便往楼梯上一撒，结果怎样呢？我们可以看到，有几个球落在各级台阶上，大多数球都跳落到最下边的平台处。而且，稍加踢碰，甚至用扇子一扇，台阶上的乒乓球就会滚跳到下边的平台去。平台处的乒乓球是稳定的，没有谁帮助它们，是不会往台阶上跳跃起的。这是因为，任何物体在地球引力的作用下都具有“位能”，或叫“势能”。台阶上的球位能高，不稳定；平台处的球位能低，最稳定。

　　原子可能处于不同的能级，如同上面的小实验，处于高能级的原子不稳定，总是力图向低能级跃迁。正像树上的苹果有向下掉的趋势一样，一旦成熟，或有风吹雨打，就会落到地上来。我们任意选两个能级E1和E2，说明原子的跃迁问题。在没有任何外界作用的情况下，处于能量较高轨道上的电子也可能自发地跑到能量较低的轨道上，也就是说，原子自发地产生从较高能级E2到低能级E1的跃迁，这叫做自发跃起迁。在自发跃迁时，原子从高能级降到低能级，就会将多余的能量释放出来。所释放出来的能量等于这两个能级的能量差，即E2——E1.

　　自发跃迁有两种形式：一种是无辐射跃迁，释放出的能量变为原子热运动的能量；另一种是自发辐射跃迁，释放出的能量以光的形式辐射出来。在自发辐射过程中，两个能级的能量差转变为光子的能量，因而光子的频率f21由发生跃迁的两个能级的能量差来决定，即：

　　f21=（E2——E1）/h（10——1）

　　其中，h叫做普朗克常数，它是以德国物理学家普朗克命名的。如前所述，普朗克在用“量子”理论解释电磁现象时指出：电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地成量子的状态进行的，每一份就是一个能量子，每一份能量都是一个常数h的整数倍，即hf。f是光波的频率，h为普适恒量，实验测得h=6.63×10——34焦/秒。后来，爱因斯坦在阐述光电效应时指出：光在传播的过程中具有波动的特性，光在发射和吸收的过程中却有类似粒子的性质。光只能一份一份地发射，一份一份地吸收，发射和吸收的能量都是光的某个最小的一份能量的整数倍，这最小的一份能量就叫做光子。光子的能量E为E=hf（10——2）

　　式中，f为光的频率，h为普朗克常数。

　　自发辐射发光的特点是，处于高能级的各个原子都独立地、自发地跃迁，相互没有什么关系。不同的原子可能是在不同的能级之间发生跃迁，可能有各种各样的频率。即使有些原子是在相同的能级间实现跃迁，因而发光频率相同，但是它们发出的光在振动方向和振动相位上也是杂乱无章的。一切自然光，如阳光、灯光、火光，都属于自发辐射发光。

　　（2）受激吸收

　　一个处于低能级E1的原子，当有一个频率为f21=（E2——E1）/h的外来光子逼近它时，这个原子就有可能吸收光子的能量E=hf21=E2——E1，从而跃迁到高能级E2去。原子原来具有能量E1，吸收了光子的能量E，这样，原子跃迁到高能级后所具有的能量为E1+hf21=E1+（E2——E1）=E2.这就表明，原子从原来的低能级E1被激发到高能级E2上去了，也就是说，原子中的一个电子吸收了外界能量而跑到离核较远的轨道上去，从而使原子的能量有所增加。这个过程叫做光的受激吸收。

　　受激吸收过程不是自发产生的，而是在外来光子的“刺激”下发生的。只要外来光子的频率（或能量）符合（10——1）式条件，受激吸收就会发生。譬如说，用光照射某种物质，光越强，物质中原子吸收的光子就越多，受激发的原子也越多；光越弱，物质中原子吸收的光子就越少，受激发的原子也越少。

　　（3）受激辐射

　　一个处于高能级E2的原子，当有一个频率为f21=（E2——E1）/h的外来光子逼近它时，这个原子受到光的“刺激”，便有可能从高能级E2跃迁到低能级E1，同时辐射出一个光子来，这个光子的能量为E2——E1，频率与外来光子的频率相同。这就表明，原子从高能级降到了低能级，也就是说，原子中处于能量较高轨道上的电子，在外界入射光的“刺激”下被迫跃迁到能量低的轨道上，从而发出光来。这个过程就叫做光的受激辐射。

　　受激辐射过程不是自发产生的，而是在外来光子的“刺激”下发生的。由于受激辐射出来的光子是受外来光子“刺激”产生的，因而它与外来光子一模一样，不仅频率相同，都是f21，而且传播方向、振动方向和振动相位都是完全一致的。如果以外来的光子代表入射光波，那么，在受激辐射过程之后，由两个光子代表输出光波，结果输出光波的能量比入射光波的能量增大了一倍，换句话说，光波的振幅通过受激辐射而被放大了。实际上，这就是激光产生的基本原理。

　　上述的光的自发辐射、受激吸收和受激辐射，通常是同时存在的。受激吸收和受激辐射显然是互相矛盾的，因为受激吸收是原子在光照作用下，从低能级被激发到高能级上去，结果吸收光子，光场被减弱；而受激辐射是原子在光照作用下，从高能级跃迁到低能级去，结果又辐射出光子来，光场被增强，即光被放大。但是，在原子正常能级分布情况下，由于低能级上的原子数目较多，所以总是以光的受激吸收占优势，因而光总是衰减的。要想获得光的放大，必须没法使光的受激辐射占优势，也就是说，必须使处于高能级上的原子数目远多于处于低能级上的原子数目，这样就可以使受激辐射过程胜过受激吸收过程，从而实现激光放大。