为什么激光管内正发射激光的气体,其温度为负温度(

来源：学生作业帮编辑：神马作文网作业帮分类：物理作业时间：2024/09/20 21:47:17

为什么激光管内正发射激光的气体,其温度为负温度(
激光器如何利用粒子数反转来工作？

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这里的温度定义是根据玻耳兹曼分布率定义的.
根据玻耳兹曼分布率（Baidu这里没法写公式）,
正温度下能量越高的能级上粒子分布比例越小；
绝对零度时所有粒子都简并到最低能级上.
（玻耳兹曼分布不考虑费米子,没有简并互斥的概念）
而激光器Laser和微波激射器Maser都是利用粒子数反转来工作的,
所谓粒子数反转,就是高能级上的粒子数超过低能级上的粒子数,
这种情况如果继续使用玻耳兹曼分布公式的话,就会推出一个负温度!
但这只是理论上“低于绝对零度”的现象,实际上并不是真的低温,
因为根据热力学第零定律,温度从本质上来说应该是一个相对值,
两个物体接触传热时,失去热量的一侧温度高,另一侧温度低.
用相对值定义温度,永远只会有正的温度（K）.
而用单一体系内部的粒子数分布来定义温度,才会得到负温度,
这是没有实际意义的,只有理论价值.
实现粒子数反转的办法很多：泵光源、化学反应、半导体中的电势差等等,
都可以把粒子提升到高能级,然后少量粒子自发的向低能级跃迁发光,
这些光在激光器谐振腔内来回反射,激发大量同样的高能粒子也向低能级跃迁,
并且它们发出的光与最初少数粒子发出的光频率、相位完全一致,
这就是Laser和Maser的核心物理过程——受激辐射.
（激光器 LASER 的全称就是 Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation 受激辐射式光放大器；而微波激射器 MASER
的全称是 Microwave Amplification by Stimulated Emission of
Radiation 受激辐射式微波放大器）
由于整个过程是从少量高能粒子跃迁发光演化为大量粒子跃迁发光,
光（或微波）的强度呈雪崩式的急剧增长,最终从谐振腔中发出的是
强度高、相位和频率高度一致的相干光（或微波）.
如果这个过程是先粒子数反转,后受激辐射；再粒子数反转,再受激辐射
……那么就是脉冲式激光器；
如果用来实现粒子数反转的装置足够强劲,就可能在激光/微波发出的
全过程中不断地将粒子从低能态抽运到高能态,保证始终是粒子数反转
状态,从而能连续发光,那么就是连续式激光器.
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