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粒子數反轉可以在激光產生通過兩個基本機制，要么通過創建過量在更高的能量狀態的原子或分子，或通過減少低能態的人口。 本教程探討了亞穩狀態為3級和4級的激光系統。

本教程初始化有兩個能量圖窗口代表一個三級（左）和4級激光（右側）。 定位在窗下方有一對可被用來單獨地啟動每個窗口能態躍遷或兩個窗口一起藍色開始的按鈕。 與能源相關的狀態傳說描述電子色彩定位低于啟動按鈕。 操作教程，點擊開始按鈕中的一個，并檢查電子是如何從基態提升到一個高度興奮狀態。 被激發后，電子將到亞穩態遷移出發通過激光躍遷回到基態（三能級激光），或以更低的激光能級（四電平激光）之前。 Applet的速度滑塊可以用來調整一個舒適的觀察速度教程執行順序。

用于在激光媒質產生粒子數反轉的最常見的方法是能量添加到系統中，以激發原子或分子到更高能級。 簡單地通過熱攪拌該介質增加能量是不夠的（下熱力學平衡），以產生粒子數反轉，因為熱量僅僅增加了人口的平均能量，但不會增加種類數量的激發態相對于該中較低的狀態。 原子的數目在兩個能級（1和2）根據熱力學平衡的比率由下式給出以下等式：

N₂/N₁ = exp[- (E₂ - E₁) / kT]

其中N（1）和N（2）是原子在第1級和第2級的數目，分別E（1）和E（2）是第2級的能量，k是玻爾茲曼常數，T是在開爾文溫度。 這表現在式中，在熱力學平衡，N（2）可以是大于N（1）僅當溫度為負數。 在描述微波激射器和激光作用的研究結果發表，物理學家稱為粒子數反轉為負溫度 ，這是象征他們認為比熱力學平衡其他任何條件不太可能持續下去。

以產生所需的粒子數反轉為激光的活性，原子或分子必須是選擇性地激發，以特定的能量水平。 光與電是首選大多數激光激勵機制。 光線或電子可提供激發的原子或分子至選定較高的能量水平所必需的能量，而不是必需的能量的傳遞，直接促進電子向激光躍遷的特定上層。 一些方法可以是相當復雜的，但這些經常產生性能更好的激光器。 一種經常使用的方法激發的原子或分子至更高的能量水平比要求，在這之后下降到上激光能級。 間接激發可用于激發原子在周圍的氣體混合物，然后它們的能量轉移到原子或分子負責產生激光作用。

如先前所討論的，時間由原子或分子在激發狀態花費的量是在確定是否會被刺激到發射和參與光子的級聯，或通過自發發射失去其能量的關鍵。 激發態一般都只有納秒壽命之前，他們通過自發輻射釋放自己的能量，一個時期，是不是冗長的夠另一個光子可能發生的刺激。 用于激光行動的一個關鍵的要求，因此，這是一個較長的壽命狀態，是適合的上能級。 這樣的狀態確實存在對于某些材料，以及被稱為亞穩態狀態（見圖1）。 自發發射前的平均壽命發生了亞穩態是一個微秒至1毫秒，時間相當長的時間上的原子的時間表的順序。 隨著壽命這么久，受激原子和分子可產生大量顯著受激發射的。 激光作用是唯一可能的，如果人口積聚速度比它衰變在上部的能量級，保持人口比下水平的大。 較長的自發發光壽命，更適合的分子或原子是用于激光應用。

奧林巴斯顯微鏡最簡單的功能能級結構為激光器操作是一個三電平系統，它表示在圖1（a）中。 在這個系統中，地面狀態是較低的激光水平，粒子數反轉是此級別和較高能量亞穩態之間產生。 大部分的原子或分子的最初激發到短暫高能量狀態比所述亞穩能級高。 從這一狀態便迅速衰減到中間亞穩能級，其具有更長的壽命比較高的能量狀態（通常在1000倍的數量級）。 因為在亞穩狀態的每個原子的停留時間是相對長的，人口趨于增加，并導致亞穩態和下部基態（其被連續地被過稀的最高水平）之間的粒子數反轉。 受激發射的結果，從一個事實，即多個原子都可以在上興奮（亞穩）狀態比在較低的狀態下的光的吸收將最有可能發生。

雖然這三個級別的激光系統的工作原理對于所有的實際目的，例如為第一激光，存在的一些問題限制了這種方法的有效性。 發生的中心問題，因為較低的激光水平儀是地電平，這對于大多數的原子或分子的正常狀態。 為了產生粒子數反轉，大部分基態的電子必須提升到高激發能級，需要外部能量的顯著輸入。 另外，粒子數反轉是很難維持一個可觀的時間，因此，3級的激光器必須在脈沖模式而不是連續地進行操作。

利用四個或更多能級激光器避免一些上述的問題，因此是更常用的。 圖1（b）示出了一個4級的場景。 的能級結構是在三電平系統類似，不同的是原子后丟棄從最高級別到亞穩上的狀態，它們沒有一路下降到基態在一個單一的步驟。 因為粒子數反轉不接地狀態和上層之間產生，原子或必須升高分子的數目在這個模型中顯著地降低了。 在一個典型的四能級激光系統中，如果只有一個或兩個百分比的原子或分子的駐留在較低的激光水平（即高于基態），那么激動人心只有2至百分之四的總到較高層次將達到所要求的粒子數反轉。 從地電平分離的較低的激光水平的另一個優點是，較低層次的原子會自然落下到基態。 如果較低的激光水平具有壽命比上層短得多，原子將衰減到的速度足以避免在較低的激光水平累加地電平。 許多根據這些限制而設計的激光器可以以連續模式操作，以產生一個連續的光束。