粒子数反转

粒子数反转是激光运作所必需的一种「上下颠倒」的状态：处于较高能级的原子，竟比处于较低能级的还要多。通常自然界的做法恰恰相反：在一群任其自处的原子中，绝大多数都挤进它们所能找到的最低能量，只有稀稀拉拉的一些处于激发态。把这个次序倒过来——让上能级比下能级住得更满——正是激光必须完成的核心戏法。

它之所以重要，源于两个过程之间的竞争。一个经过受激原子的光子，能促使它发出一个孪生光子，从而放大光；而一个经过基态原子的光子，则可能干脆被吸收，从而削弱光。哪一种原子数目更多，哪一方就获胜。只有当上能级的原子多过下能级时，受激辐射才会盖过吸收，使光在传播中越来越强、而非越来越暗。没有反转，就没有净放大，也就没有激光。

实现反转并非免费。一个简单的二能级原子，永远无法靠普通的光来反转，因为同一束激发原子的光，也以相同的速率把它们退激发，所以你最多只能达到对半平分。真实的激光用巧妙的三能级或四能级方案，再配上一个独立的泵浦源——电放电、闪光灯，或另一台激光——来填满上能级，同时用一条快速的「排水沟」让下能级保持空着，从而绕开这个难题。