粒子數反轉

粒子數反轉是雷射運作所必需的一種「上下顛倒」的狀態：處於較高能級的原子，竟比處於較低能級的還要多。通常自然界的做法恰恰相反：在一群任其自處的原子中，絕大多數都擠進它們所能找到的最低能量，只有稀稀拉拉的一些處於激發態。把這個次序倒過來——讓上能級比下能級住得更滿——正是雷射必須完成的核心戲法。

它之所以重要，源於兩個過程之間的競爭。一個經過受激原子的光子，能促使它發出一個孿生光子，從而放大光；而一個經過基態原子的光子，則可能乾脆被吸收，從而削弱光。哪一種原子數目更多，哪一方就獲勝。只有當上能級的原子多過下能級時，受激輻射才會蓋過吸收，使光在傳播中越來越強、而非越來越暗。沒有反轉，就沒有淨放大，也就沒有雷射。

實現反轉並非免費。一個簡單的二能級原子，永遠無法靠普通的光來反轉，因為同一束激發原子的光，也以相同的速率把它們退激發，所以你最多只能達到對半平分。真實的雷射用巧妙的三能級或四能級方案，再配上一個獨立的泵浦源——電放電、閃光燈，或另一台雷射——來填滿上能級，同時用一條快速的「排水溝」讓下能級保持空著，從而繞開這個難題。