基础原理

        高能态粒子数大于低能态粒子数的非热平衡状态。在热平衡状态下，粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律：

                        N₂/N₁ =g₂/g₁·exp[-(E2-E1)/kT]

        式中k为玻耳兹曼常数，N2、g2和N1、g1分别为高能态E2和低能态E1的粒子数和统计权重。由于E2>E1，T>0，故N1>N2 ，即高能态上的粒子总少于低能态上的粒子数。于是原子系统的受激吸收过程总占优势。

        原子系统单位时间内从辐射场所吸收的光子数总是多于受激发射产生的光子数。如果采用适当的激励，破坏热平衡状态，使高能态粒子数多于低能态粒子数，即Δ=N2-N1>0，就说实现了粒子数反转，Δ称反转粒子数。

        粒子数反转是相对于热平衡分布而言的。当体系处于粒子数反转状态时，受激辐射光子数多于被吸收的光子数，因此对光子数具有放大作用。一个激光器要实现激光运转，粒子数反转是必要条件之一。

        从Δ>0可知，体系处于粒子数反转状态时，体系的温度T<0，因而说体系处于负温度状态。这是形式上的一种说法。实际上，在热平衡状态下，T不能取负值。但是体系处于粒子数反转状态时，它并不处于热平衡状态。

反转的条件

        通常实现粒子数反转要依靠两个以上的能级：低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵浦能级抽运到高能级。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发激光材料，称为电激励；也可用脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了使激光持续输出，必须不断地“泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。