激光放大的必要条件

利用受激辐射过程可以实现相同状态光子数目呈几何级数递增，及光场密度和光强与单位体积内的光子数或光子数密度成正比关系，该过程本质上是光的相干放大过程。

这一条件发生的前提条件是要有足够多的微观粒子处在激发态，那么究竟需要多少粒子处在激发态才能实现光的相干放大呢？通常情况下物质对光总是呈现吸收状态而不是放大状态。

放大和吸收

在热平衡的条件下，微观粒子在单位时间内吸收和发射的光子数相等。

• 当吸收光子数大于发射光子数时，物质对射入光呈现出净利吸收的状态。
• 当发射光子数大于吸收光子数时，物质对射入光呈现出光放大的状态。

显然我们希望物质对入射光呈现出放大的状态，这称为粒子数反转。物理定义：高能级上平均分配到每个简并能态的粒子数密度大于低能级的相应值，粒子数放大是实现光放大的必要条件。

粒子数反转

我们把将微观粒子激励到激发态的技术手段称为泵浦Pump（激励），必须要有有合适的泵浦方式才能实现粒子数反转。

但是通过泵浦不断地将粒子激励到激发态，但是激发态的寿命可能非常短，我们始终无法让粒子在激发态上大量聚集，实现粒子数反转。实现粒子数反转的第二个条件：选择具有亚稳态的工作物质，如果激发态是亚稳态能级的话实现粒子数反转则容易的多。

红宝石激光器的工作物质是Cr³⁺:AL₂O₃，通过闪光灯的照射我们可以使Cr离子，在亚稳态能级E₂上聚集，与基态E₁能级之间实现粒子数反转。