《激光原理》2.2速率方程组与粒子数反转

半导体激光器中粒子数反转的形成机制概述及解释说明1. 引言1.1 概述半导体激光器是一种关键的光电器件，具有广泛的应用领域，如通信、医疗和制造等。

粒子数反转作为半导体激光器实现放大和产生激光所必需的基本过程之一，在该领域中被广泛研究和应用。

本文将重点讨论半导体激光器中粒子数反转的形成机制。

1.2 文章结构本文按照以下结构进行组织：首先，我们将介绍半导体激光器的基本原理，包括光与物质交互作用、PN结和载流子注入以及积极性反转和自发辐射过程。

接下来，我们将详细分析粒子数反转的原理和机制，包括能带结构对粒子数反转影响的分析、载流子浓度控制与限制因素的讨论以及光吸收和增益特性的解释。

然后，我们将介绍形成粒子数反转所采用的实验方法和技术应用，并探讨加载实验与电流阈值之间存在关系的证明、束缚态材料在半导体激光器中的应用研究进展以及温度对粒子数反转效果的影响研究。

最后，我们将总结文章涵盖的主要观点和论述内容，并展望半导体激光器中粒子数反转机制的未来发展方向和可能的应用领域。

1.3 目的本文旨在提供关于半导体激光器中粒子数反转形成机制的综合概述，并解释说明相关原理和机制。

通过深入探讨这一课题，有助于增进读者对半导体激光器工作原理的理解，以及为相关领域的研究者提供参考和启发。

2. 半导体激光器的基本原理2.1 光与物质交互作用在半导体激光器中，光和物质之间的交互作用是实现粒子数反转的关键。

当光通过半导体材料时，它会与电子和空穴相互作用，从而改变它们的能级分布。

2.2 PN结和载流子注入半导体激光器通常由PN结构组成，其中P区域富集正电荷载流子（空穴），N 区域则富集负电荷载流子（电子）。

通过外部电源施加电压，在PN结附近形成耗尽层。

当正向偏置PN结时，正电压使得正电荷向P区移动，而负电荷向N 区移动。

这个过程被称为载流子注入。

2.3 积极性反转和自发辐射过程在激活载流子注入后，会形成一个积极性反转（population inversion）的状态，即在激发态比基态还要多。

激光原理与应⽤教案激光原理与应⽤教案⼀. 绪论本节课教学⽬标：让学⽣了解激光的历史，激光形成及发展、理论体系的形成。

让学⽣了解激光科学的分⽀及激光在军事、信息技术、医疗等⽅⾯的应⽤；本节课教学内容：1．激光的概念：激光——利⽤受激辐射的光放⼤。

LASER——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation2．激光的发现：最早在1917年——Einstein⾸次预⾔受激辐射激光，历史上⾸先在微波波段实现量⼦放⼤（1953），1954年——C. H. Townes, I. P. Gorden, H. J. Zeiger 使⽤NH3分⼦射束实现Maser向更短波长进发——ammonia beam maser，1958年——A. L. Schawlow, C. H. Townes, A. M. PoxopoB提出将Maser原理推⼴到光波段——laser，1960年——T. H. Maiman of Bell Lab 红宝⽯⾸次实现laser l=6943? 红光（早期的名称：莱塞、光量⼦振荡器、光激射器受激光，“激光”——钱学森在1963年提出。

61年中国（亚洲）第⼀台激光器诞⽣在长春（长春光机所和光机学院），由王之江院⼠发明。

激光科学技术发展的基础学科——光谱学，物理光学，固体物理，物质结构，⽆线电电⼦学。

推动⼒——⼴阔的应⽤领域：核聚变，加⼯，热处理，通讯，测距，计量，医疗可调谐性和超短脉冲——⾼时间、空间分辨、能量分辨。

3．激光与普通光源的区别？（1）良好的单⾊性。

单⾊性指光源发射的光波长范围很⼩，测距。

（2）良好的⽅向性。

激光的光束⼏乎只沿着⼀个⽅向传输。

测距，通信。

（3）⾼亮度。

激光功率集中在极⼩的空间范围内。

切割，⼿术，军事。

（4）极好的相⼲性。

各列波在很长的时间内存在恒定的相位差。

精确测距。

4．激光的应⽤。

（1）信息科学领域。

2006-2007学年 第1学期 《激光原理与技术》B 卷 试题答案1．填空题(每题4分)[20]激光的相干时间τc 和表征单色性的频谱宽度Δν之间的关系为___1c υτ∆= 一台激光器的单色性为5x10-10，其无源谐振腔的Q 值是_2x109如果某工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105 S -1，该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10等于_____6x1010 m 3s -2J -1 设圆形镜共焦腔腔长L=1m ，若振荡阈值以上的增益线宽为80 MHz ，判断可能存在_两_个振荡频率。

对称共焦腔的=+)(21D A _-1_，就稳定性而言，对称共焦腔是___稳定_____腔。

2. 问答题(选做4小题，每小题5分)[20]何谓有源腔和无源腔？如何理解激光线宽极限和频率牵引效应？有源腔：腔内有激活工作物质的谐振腔。

无源腔：腔内没有激活工作物质的谐振腔。

激光线宽极限：无源腔的线宽极限与腔内光子寿命和损耗有关：122'c Rc L δυπτπ∆==；有源腔由于受到自发辐射影响，净损耗不等于零，自发辐射的随机相位造成输出激光的线宽极限2202()t c s t outn h n P πυυυ∆=∆。

频率牵引效应：激光器工作物质的折射率随频率变化造成色散效应，使得振荡模的谐振频率总是偏离无源腔相应的模的频率，并且较后者更靠近激活介质原子跃迁的中心频率。

这种现象称为频率牵引效应。

写出三能级和四能级系统的激光上能级阈值粒子数密度，假设总粒子数密度为n ，阈值反转粒子数密度为n t.三能级系统的上能级阈值粒子数密度22tt n n n +=；四能级系统的上能级阈值粒子数密度2t t n n ≈。

产生多普勒加宽的物理机制是什么？多普勒加宽的物理机制是热运动的原子（分子）对所发出（或吸收）的辐射的多普勒频移。

均匀加宽介质和非均匀加宽介质中的增益饱和有什么不同？分别对形成的激光振荡模式有何影响？均匀加宽介质：随光强的增加增益曲线会展宽。

介质在小信号时的粒子数反转分布值——激光原理及应用一、教学目标1. 理解介质在小信号时的粒子数反转分布概念。

2. 掌握激光产生的原理及其在小信号时的粒子数反转分布值。

3. 了解激光在现代科技领域中的应用。

二、教学内容1. 介质在小信号时的粒子数反转分布概念介绍。

2. 激光产生的原理及其在小信号时的粒子数反转分布值。

3. 激光的应用领域及实例。

三、教学方法1. 采用讲授法，讲解介质在小信号时的粒子数反转分布概念。

2. 采用案例分析法，分析激光产生的原理及其在小信号时的粒子数反转分布值。

3. 采用实践教学法，介绍激光在现代科技领域中的应用。

四、教学准备1. 教学PPT。

2. 相关教材或参考资料。

3. 投影仪等教学设备。

五、教学过程1. 导入：简要介绍激光的发现及发展历程，引发学生兴趣。

2. 讲解介质在小信号时的粒子数反转分布概念，让学生理解激光产生的基本原理。

3. 分析激光产生的原理及其在小信号时的粒子数反转分布值，引导学生掌握激光产生的条件。

4. 介绍激光在现代科技领域中的应用，如通信、医疗、工业加工等，让学生了解激光技术的广泛应用。

5. 课堂互动：提问学生关于激光原理及应用的问题，检查学生对知识点的掌握情况。

6. 总结：对本节课的主要内容进行归纳总结，强调重点知识点。

7. 作业布置：布置相关练习题，巩固所学知识。

8. 课后反思：教师对本节课的教学效果进行反思，为下一步教学做好准备。

六、教学评估1. 课堂问答：通过提问方式检查学生对激光原理及介质粒子数反转分布的理解程度。

2. 练习题：布置针对性的练习题，让学生课后巩固所学知识。

3. 小组讨论：分组讨论激光应用案例，培养学生的实际应用能力和团队合作精神。

七、教学拓展1. 邀请相关领域的专家或企业人士进行讲座，让学生更直观地了解激光技术在实际生产中的应用。

2. 安排课后参观激光实验室或相关企业，加深学生对激光技术的认识。

3. 组织学生参加激光技术竞赛或项目实践，提高学生的实际操作能力。

激光原理高福斌gaofubin@gaofubin@163com2013.10.201高福斌/342.2 速率方程组与粒子数反转(!可实现粒子数反转的几种量子系统)回顾——实现粒子数反转的两个必要条件:①工作物质粒子有适当的能级结构②有合适的激励能源前瞻——分析方法:速率方程方法以及速率方程的求解步骤速率方程方法: 分析粒子系统能否实现反转的一种方法速率方程:描述各能级粒子数(密度)变化速率高福斌/342的方程组态E 上的粒子抽运到E 、E 能级上的速率；0122.速率方程: 3个能级应有22n 个独立方程(1) E 2能级在单位时间内增1n ρ加的粒子数密度为：dn 图(2-5)简化的四能级图n 2R n A n W n W =−−+R n A n B νn B νd =−−+(2-5a)2221221112()()f f dtρρ()2n ρ1n 2120A A 图(2-5)）简化的四能级图n2n ρ1n 图(2-5)）简化的四能级图n dn二.小信号粒子数反转的物理条件:1. 激光上能级E 2的寿命要长,使该能级上的粒子不能轻易地通过非受激辐射而离开;2. 激光下能级E 1的寿命要短,使该能级上的粒子很121220)(ττR R R n +−=Δ快地衰减;3. 选择合适的激励能源,使它对介质的E 2能级的抽运速率R 2愈大愈好,2n 而对E 1能级的抽运速率R 1愈小愈好.1n ρ即满足条件12ττ>0n 高福斌/3422足12R R>{图(2-5)）简化的四能级图本节研究:反转粒子数密度Δn 的饱和效应（讨论Δn 2n （与各种因素的关系，引出Δn 饱和效应的概念。

）1n ρ。

）图(2-5)）简化的四能级图n 由下式可知：()R R R nττ−+ΔnΔ0nΔ20n0IsI0s nΔ0nΔ:0(1)s I f ν+Δ043n Δ由上式可见: 只要I ≠0, 则Δn <Δn0, 仍有饱和效应.20n 012I I νννΔ−=+⋅在处I ≈I s 时s 2202(/2)(/2)3n n n ννΔ+ΔΔ=Δ=Δ222(/2)2(/2)4ννΔ+Δ频率在此范围内的入射光才会引起显著的饱和作用。

半导体激光器粒子数反转的形成机制在半导体激光器中，粒子数反转是实现激光放射的重要机制之一。

粒子数反转是指在激光器中，高能态粒子的数目大于低能态粒子的数目，从而形成了粒子数密度的反转。

本篇文章将介绍半导体激光器粒子数反转的形成机制。

半导体激光器是一种能够通过电流注入来实现放射的半导体器件。

在激光器中，晶体材料通常由两种不同的半导体材料组成，形成p-n 结。

当在这个p-n结中施加适当的电流时，电子从p区域向n区域流动，同时空穴从n区域向p区域流动。

这种电子和空穴的复合过程会导致能量的释放，产生光子。

在激光器中，为了形成激光放射，需要实现粒子数反转。

粒子数反转的实现需要满足以下两个条件：首先，激活态电子（高能态）的数目必须大于基态电子（低能态）的数目；其次，激活态电子在基态电子中的寿命要长，以保持粒子数反转的持续性。

半导体激光器中，粒子数反转的形成主要依赖于能带结构和载流子注入。

在能带结构方面，由于半导体材料的能带结构不一样，会导致不同能态的载流子数目存在差异。

一般来说，在半导体材料的能带结构中，传导带与价带之间存在能隙，而能隙的宽度对应着载流子能态的差别。

通过合适的材料选择和设计，可以实现能隙宽度的调节，进而达到粒子数反转的要求。

在载流子注入方面，电流的注入会引入更多的激活态电子和空穴，但由于材料自身的特性，这些激活态电子和空穴在复合之前会停留在能带之间的碰撞区域。

这种碰撞会促使这些激活态载流子向基态转化，从而实现粒子数反转。

对于半导体激光器来说，这个碰撞区域通常是位于pn结的活性层，也可以是量子阱等特殊结构。

总的来说，半导体激光器粒子数反转的形成机制是通过能带结构和载流子注入相互作用实现的。

粒子数反转的形成是激光器实现激光放射的前提和基础，对于实现高效、稳定的激光器性能有着重要的影响。

通过深入研究粒子数反转的形成机制，可以进一步改进半导体激光器设计和制造工艺，提高激光器的性能和应用范围。

《激光原理》课程教学大纲课程代码：090631009课程英文名称：PrinciplesofLaser课程总学时：48讲课：48实验：0上机：适用专业：■■■■■■■■■大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程是光电信息科学与工程专业的必修主干专业基础课程，主要讲授有关激光的基本知识和基本理论，在光电信息科学与工程专业培养计划中，它起到由专业基础理论课向专业课过渡的承上启下的作用。

本课程在教学内容方面除基本知识、基本理论的教学外，还通过课程设计培养学生的理论分析及其实际应用能力。

通过本课程的学习，可以使学生：1.掌握激光的概念及产生原理、光学谐振腔理论、速率方程理论、激光器的特性及其控制和改善的原理。

了解激光技术新的发展和应用；2.具有综合运用数学、物理等学科知识对实际与激光有关的问题进行理论分析的能力；3.获得初步的激光器件设计技能，为后续课程的学习以及相关课程设计、毕业设计等奠定重要的基础。

（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.知识方面的基本要求通过本科程的学习，使学生掌握：激光的概念、特性及产生原理；激光器的构成及工作原理；光学谐振腔与高斯光束知识；光与物质的共振相互作用的速率方程理论；激光的振荡特性、放大特性及其特性的控制和改善知识。

2.能力方面的基本要求通过本科程的学习，培养学生：光学谐振腔分析能力及其初步设计能力；激光器的振荡特性、放大特性的分析能力；激光器特性的控制与改善的初步设计能力。

3.技能方面的基本要求通过本课程的学习，使学生获得：光学谐振腔设计的初步技能；激光器特性的控制与改善的初步的理论设计能力。

（三）实施说明1．教学方法：课堂中要重点突出对基本概念和基本原理的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导学生主动思考，提高学生的自学能力；鼓励学生参与讨论和课堂发言，调动学生学习的积极性；教学中注意理论联系实际，培养学生的工程意识（创新、实践、安全、标准、竞争、法律和管理等意识）和工程能力（思维、自学、研究、操作和创造能力等）。

激光原理作业130212105 曾令辉题目：用Matlab 模拟反转粒子数随时间变化的曲线。

解微分方程⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧<<-+=∆<∆=∆----p t A W p p p t t A p T t e A W W n t n t T e T n t n p p 0]1[)()()()(23211)(2321232 ηηηηηη 符号说明：E4-E3的量子效率η1（对应下面的n1），E3-E2的荧光效率η2（对应下面的n2），第三能级到第二能级的自发辐射跃迁几率A32，泵浦几率Wp ，tp 为泵浦持续时间，n 为粒子总数。

1、探究泵浦持续时间“tp ”的取值对“反转粒子数随时间变化的影响”1.1程序>> clear all>> n1=0.5;n2=0.8;Wp=0.8;A32=0.5;n=1000;>> t=0:0.01:20;>> tp=10;>>y=n*(n1*Wp)*(1-exp((-(n1*n2)*Wp -(A32/n2))*t))/(n1*Wp+(A32/n2)).*(t>=0&t<tp)+n*(n1*Wp )*(1-exp((-(n1*n2)*Wp -(A32/n2))*tp))*exp((-A32/n2)*(t -tp))/(n1*Wp+(A32/n2)).*(t>=tp&t<=20); >> plot(t,y)>> gtext('tp=10')>> title('tp 的取值对“反转粒子数随时间变化曲线的影响”')>> xlabel('时间t')>> ylabel('反转粒子数y')>> hold on>> tp=5;>>y=n*(n1*Wp)*(1-exp((-(n1*n2)*Wp -(A32/n2))*t))/(n1*Wp+(A32/n2)).*(t>=0&t<tp)+n*(n1*Wp )*(1-exp((-(n1*n2)*Wp -(A32/n2))*tp))*exp((-A32/n2)*(t -tp))/(n1*Wp+(A32/n2)).*(t>=tp&t<=20); >> plot(t,y)>> gtext('tp=5')>> hold on>> tp=2;>>y=n*(n1*Wp)*(1-exp((-(n1*n2)*Wp -(A32/n2))*t))/(n1*Wp+(A32/n2)).*(t>=0&t<tp)+n*(n1*Wp )*(1-exp((-(n1*n2)*Wp -(A32/n2))*tp))*exp((-A32/n2)*(t -tp))/(n1*Wp+(A32/n2)).*(t>=tp&t<=20); >> plot(t,y)>> gtext('tp=2')>> hold on>> tp=1;>>y=n*(n1*Wp)*(1-exp((-(n1*n2)*Wp -(A32/n2))*t))/(n1*Wp+(A32/n2)).*(t>=0&t<tp)+n*(n1*Wp )*(1-exp((-(n1*n2)*Wp -(A32/n2))*tp))*exp((-A32/n2)*(t -tp))/(n1*Wp+(A32/n2)).*(t>=tp&t<=20); >> plot(t,y)>> gtext('tp=1')1.2图像1.3结论：在图像变化过程中可看到：（1）当0<tp<2时，曲线快速增大，到达最大值之后迅速衰减；（2）而当tp>2时，曲线先呈快速增大趋势，再趋向于一饱和值（即最大值），最后也快速衰减至无限趋近于0。

一 名词解释1. 损耗系数及振荡条件:0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。

α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。

2. 线型函数：引入谱线的线型函数pv p v v )(),(g 0~=，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表示线型函数的中心频率，且有⎰+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ∆时下降至最大值的一半。

按上式定义的v ∆称为谱线宽度。

3. 多普勒加宽:多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。

4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率0v 的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭的现象。

5. 谐振腔的Q 值:无论是LC 振荡回路，还是光频谐振腔，都采用品质因数Q 值来标识腔的特性。

定义p v P w Q ξπξ2==。

ξ为储存在腔内的总能量，p 为单位时间内损耗的总能量。

v 为腔内电磁场的振荡频率。

6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰姆凹陷。

7. 锁模：一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲。

这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。

8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K 的单色平面波都可以存在，但在一个有边界条件限制的空间V 内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k 的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。

9. 注入锁定：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中，控制一个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象。

（分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定）。

激光器粒子数反转条件激光器粒子数反转条件，这听起来是不是有点高大上？但它就像是一场光与影的盛宴，简单来说，激光器要发出那种强烈而又稳定的光，首先得有个小秘密，那就是粒子数反转。

想象一下，一个喧闹的派对，大家都在争着说话，而在这个派对上，如果你想听到某个人的声音，你就得确保那个人站在舞台上，才能把他的话传递出去。

激光器也是这个理儿。

简单说，就是要有更多的“激发态粒子”，才能让光线闪亮登场。

得聊聊什么是粒子数反转。

想象一下，激光器里的粒子就像一群小小的舞者，他们在不同的舞台上忙碌。

有的在“基础态”，懒洋洋地站着，没什么劲儿。

而有的则在“激发态”，像打了鸡血似的，准备好要表演。

为了让激光器工作得溜溜的，咱们得让那些在“激发态”的舞者多一点，听起来是不是有点意思？要是基础态的舞者多了，那激光就出不来了，只有在“激发态”的舞者才能让光线绽放，所以，粒子数反转就显得格外重要。

那要如何实现这种粒子数反转呢？这就得靠“泵浦”。

想象一下，泵浦就像是那位超级DJ，他把所有的舞者都调动起来，让他们兴奋得不得了。

通过外部的能量输入，粒子们一个个从基础态跳到激发态。

就像是喝了能量饮料，瞬间精神焕发，活力四射。

这个过程可不简单，得控制得当，不然就像在派对上，DJ一按错了按钮，所有人都瞬间安静下来，那场面可就尴尬了。

要实现粒子数反转，激光器的设计也是至关重要的。

这就像是为了让派对更加火热，咱们得有一个合适的场地，得有合适的灯光、音响。

激光器内部的增益介质，就是那场派对的核心。

它得有适当的特性，才能让激发态的粒子保持住，不能让他们随便就掉回去，这样一来，光的强度才能持续输出。

否则，激光器就成了“无声的派对”，谁还想去呢？有些朋友可能会想，激光器是怎么让光线那么单一而且强烈的呢？这也是粒子数反转的功劳。

想象一下，咱们在舞台上聚焦一位明星，其他的舞者都在背景中，只有那位明星的光芒四射。

激光的特性就是这么来的，粒子在激发态的数量一多，发出的光就会相互增强，形成一种“共振”，这就是激光的独特魅力。

粒子数反转名词解释
嘿，你知道啥是粒子数反转不？这可真是个超级有趣的概念啊！就
好像一场奇妙的赛跑，本来跑在前面的家伙突然被后面的超过啦！
粒子数反转呢，简单来说，就是在特定的系统中，处于高能级的粒
子数量比处于低能级的粒子数量还多。

举个例子哈，想象一下有个班级，平时成绩好的同学总是少数，成绩一般的同学占多数，这是正常
情况。

但突然有一天，成绩好的同学变得比成绩一般的同学还多了，
这是不是很神奇？这就是类似粒子数反转的情况呀！
在激光的世界里，粒子数反转可是至关重要的呢！没有它，激光就
没法产生啦。

就好比做饭没有食材，那怎么能做出美味佳肴呢？科学
家们为了实现粒子数反转，那可是绞尽脑汁呀！他们不断尝试各种方
法和技术，就像勇敢的探险家在未知的领域里探索。

你想想看，如果没有粒子数反转，我们的生活得失去多少精彩呀！
那些酷炫的激光表演、精准的激光手术，不都得泡汤啦？这多可惜呀！所以说，粒子数反转真的是太重要啦！
它就像是一把神奇的钥匙，打开了通往激光世界的大门。

我们能享
受到激光带来的种种便利和惊喜，都得感谢粒子数反转这个奇妙的现
象呢！
总之，粒子数反转真的是一个让人惊叹不已的概念，它让我们看到
了科学的神奇和魅力。

难道你不想更深入地了解它吗？。

粒子数反转条件答案解析激活介质的粒子数反转是通过化学反应的热效应,把能量转变为粒子的振动能和转动能而实现的激光系统.产生化学激光必须具备的条件是：（1）在化学反应中一定要释放出能量。

（2）化学反应所释放的能量要能转化为反应产物分子的热力学能,使其形成激发态粒子。

（3）要求化学反应达到特定能级的反应速率快（即泵浦速率快）,使生成的激发态粒子不致在发生激光之前由于自发辐射衰减或分子间碰撞传能而消耗掉,这样才能保证到达上、下能级粒子数的反转（即粒子能在高能级上发生积累）。

（4）要求激发态粒子自发辐射的寿命极短,有足够的跃迁概率。

扩展：粒子数反转（population inversion）是激光产生的前提。

两能级间受激辐射几率与两能级粒子数差有关。

在通常情况下，处于低能级E1的原子数大于处于高能级E2的原子数，这种情况得不到激光。

为了得到激光，就必须使高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的原子数目，因为E2上的原子多，发生受激辐射，使光增强（也叫做光放大）。

为了达到这个目的，必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态E2，处于高能级E2的原子数就可以大大超过处于低能级E1的原子数。

这样就在能级E2和E1之间实现了粒子数的反转。

通常实现粒子数反转要依靠两个以上的能级：低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵浦能级抽运到高能级。

一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发激光材料，称为电激励；也可用脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子，称为光激励；还有热激励、化学激励等。

各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。

为了使激光持续输出，必须不断地“泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。