激光（laser）是“受激輻射光放大”的簡稱，是一種亮度極高、方向性和單色性很好的相干光輻射。產(chǎn)生激光的躍遷過程是：自發(fā)輻射、受激吸收與受激輻射，可以用一個簡單的兩能級系統(tǒng)來定性說明，如圖1所示。在這個兩能級系統(tǒng)中e）是基態(tài)，馬是激發(fā)態(tài)。電子在這兩個能級之間的躍遷必定伴隨著吸收或發(fā)射頻率為v的光子，且hv=e2-e1。在直接帶隙半導(dǎo)體中，在熱平衡條件下，導(dǎo)帶和價帶內(nèi)分別占有一定的電子和空穴。而電子處于激發(fā)態(tài)時不穩(wěn)定的原子必然會躍遷回到基態(tài)，即導(dǎo)帶電子以一定的幾率隨機(jī)地躍遷到價帶與空穴復(fù)合，并以光子形式釋放出能量。這種不受外界因素的作用而發(fā)射光子的過程稱為自發(fā)輻射，如圖1（a）所示。這是半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工作基礎(chǔ)。在常溫下，大部分原子處于基態(tài)。當(dāng)有適當(dāng)能量（hv＝e2一e1）的光子與半導(dǎo)體作用時，可以使處于基態(tài)的原子吸收光子進(jìn)入激發(fā)態(tài)馬。這個過程就是受激吸收，如圖1（b）所示。處于激發(fā)態(tài)碭的原子受到另一個具有能量hr的光子作用時，受激原子立即躍遷到基態(tài)e1，并發(fā)射出一個與入射光具有相同特征（如頻率、相位、方向和偏振態(tài)等）的光子。這種躍遷過程稱為受激輻射，如圖1（c）所示。

　　圖1 能級馬與ey之間的基本躍遷過程

　　當(dāng)上述系統(tǒng)處于恒定的頻率為v的光子流輻射場作用時，能級e1與馬之間光的受激吸收與受激輻射是同時存在的。如果處在激發(fā)態(tài)馬的電子數(shù)大于處于基態(tài)e2的原子數(shù)，則在光子作用下，受激輻射將超過受激吸收過程。這樣就使得系統(tǒng)發(fā)射的能量為hv的光子數(shù)將大于進(jìn)入系統(tǒng)的光子數(shù)。這種現(xiàn)象稱為光量子放大。通常把這種處在激發(fā)態(tài)馬（高能級）的電子數(shù)大于處于基態(tài)e1（低能級）的電子數(shù)的狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或分布反轉(zhuǎn)。要產(chǎn)生激光，必須采取措施，使系統(tǒng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。根據(jù)費米分布相關(guān)理論，容易推導(dǎo)出分布反轉(zhuǎn)的必要條件

　　式中，enf和epf分別表示電子和空穴的準(zhǔn)費米能級，凡為禁帶寬度。該式表明，要產(chǎn)生受激輻射，必須使電子和空穴的準(zhǔn)費米能級之差大于入射光子的能量hv，且hv≥g。

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