诺贝尔奖与光学10q03
诺贝尔奖与科学的历史发展
诺贝尔奖与科学的历史发展近两个世纪以来，科学已经经历了多次革命性的进步和突破，为人类创造了许多前所未有的奇迹和发明。
而作为科学界最高荣誉的诺贝尔奖，则成为了科学历史上备受瞩目的一部分。
本文将从诺贝尔奖的创立、评审标准以及历届获奖者的代表性成果等多方面，探讨它对科学的历史发展的影响和推动作用。
一、诺贝尔奖的创立与演变1895年，瑞典化学家阿尔弗雷德·诺贝尔去世，在遗嘱中设立了“诺贝尔基金会”，并规定每年使用其财产的5%来颁发奖金，表彰在物理学、化学、生理学或医学、文学等领域做出卓越贡献的人物。
最初的诺贝尔奖是在瑞典皇家科学院、瑞典皇家文学院和挪威诺贝尔委员会的协作下评选产生，分别授予物理学、化学、生理学或医学、文学四种奖项。
1901年，第一届诺贝尔奖正式颁发，阿尔弗雷德·诺贝尔的好友、著名物理学家玻林和玻尔共享了物理学奖，瑞士化学家雅各布斯·贝林格与德国化学家赫尔曼·冯·路特则分别获得化学奖。
在生理学或医学领域，获奖者是德国生物学家、免疫学家柯赖尔、瑞典生理学家冯·贝林、瑞典临床医生克雷吉。
而此后的文学奖，则先后颁给了法国诗人萨丁、美国小说家欧内斯特·海明威等人。
从那时起，诺贝尔奖逐渐成为了科学界的重要标志和奥斯卡奖的平民版，影响力逐渐扩大到了全世界。
而自1901年以来，已经授予了数百名获奖者，覆盖了物理、化学、生理或医学和文学四个领域。
另外，自1969年开始，诺贝尔奖还增设了经济学奖，奖金金额高达百万美元，每年约有五个获奖人。
二、评选标准与程序对于获得诺贝尔奖的人，荣耀的意义常常胜过奖金的总额。
甚至被评委们视为“世间最佳”的一些成果，更是被使用者和受益者所津津乐道，成为了科学领域普及和应用的基础。
而获得诺贝尔奖，更是需要通过各自领域的严格评审和推荐程序，才能越过重重障碍，成为响叮咚当的奖项。
对于获得诺贝尔奖的最高评价，评委们往往根据一些杰出的标准进行打分。
诺贝尔奖里的激光技术
诺贝尔奖里的激光技术摘要：随着20世纪激光理论和应用研究的不断发展，激光技术对信息处理和计算、医学治疗和人工智能等领域产生了重大影响。
本文通过诺贝尔奖获得者的研究成果，介绍了激光技术的发展，并提出将诺贝尔奖的研究成果与经历与课程教学融合，对培养激光领域的高素质、高创新性人才有着积极影响。
关键词：激光；诺贝尔奖引言激光[1]（Laser）全称为“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”，又译为“通过受激辐射实现放大的光”，并且其以优异的单色性、相干性等特点一直倍受关注，其广泛的应用场景与核能、电子计算机、半导体等发明被称为近代四大人类重要发明。
诺贝尔奖于1901年首次颁发，其权威性和公正性早已得到世界公认，一直被视为最先进的科学理论和技术的典范。
距今诺贝尔物理学奖已经颁发了100多年，表彰了物理学中最好和最辉煌的科学研究成果，涵盖X射线到量子理论、基本粒子和天体物理学等众多领域。
作为全世界研究人员聪明才智的结晶，诺贝尔奖其本身便拥有着极大的科学魅力，不断吸引着大家的视线，若能合理地将其作为课堂教学的重要内容充分运用，也必将极大提升课堂教学质量。
因此，通过将教学或实验课程的知识与诺贝尔奖的实际成果相结合，将诺贝尔奖的成果引入课堂，进一步丰富课堂教学，调动学生的积极性，培养学术热情，同时也能促进了学生全面发展，提高他们的科学素养，推动创新。
这样一来，激光这颗21世纪最炙手可热的新星将在未来在中国发光发热。
1 激光技术的发展激光的产生最初可以追溯到上个世纪初，爱因斯坦在1913年首次提到了受激辐射技术概念[2]，并预测未来会有受激辐射光放大器的出现，这也为后来激光产生埋下了伏笔。
但是由于强相干光源的缺失，光学的发展并不顺利，而这个问题直到物理学家汤斯等人在1954年成功研制出微波激射器才得以解决，其主要原理是微波激发放大或量子放大[3]（Maser）。
1953年诺贝尔物理学奖——相衬显微法
1953年诺贝尔物理学奖——相衬显微法1953年诺贝尔物理学奖授予荷兰格罗宁根大学的泽尔尼克（FritsZernike，1888—1966），以表彰他提出了相衬法，特别是发明了相衬显微镜。
相衬显微镜是一种特殊的显微镜，特别适用于观察具有很高透明度的对象，例如生物切片、油膜和位相光栅等等。
光波通过这些物体，往往只改变入射光波的位相而不改变入射光波的增幅，由于人眼及所有能量检测器只能辨别光波强度上的差别，也即振幅上的差别，而不能辨别位相的变化，因此用普通显微镜是难以观察到这些物体的。
透明度很高的物体，也称为位相物体。
相衬法（也叫位相反衬法）是通过空间滤波器将物体的位相信息转换为相应的振幅信息，从而大大提高透明物体的可分辨性，所以从这个意义上说，相衬法是一种光学信息处理方法，而且是最早的信息处理的成果之一，因此在光学的发展史上具有重要意义。
1935年泽尔尼克根据阿贝成像原理，首先提出位相反衬法，由改变频谱的位相以改善透明物体成像的反衬度，1953年泽尔尼克因此获诺贝尔物理学奖。
这是诺贝尔物理学奖中少数几项与光学有关的奖项之一。
实际的做法可以是，在玻璃基片的中心处加一滴液体，液滴的光程引起一定的相移，这样就形成了一块位相板，将这块位相板放置在显微镜的后焦面上，当作一个空间滤波器。
在相干光的照射下，像面上出现与物的位相信息相关的图像。
像面上的强度分布与样品位相成线性关系，也就是说，样品的位相分布调制了像面上的光强。
泽尔尼克1888年7月16日出生于荷兰阿姆斯特丹一个数学教师的家庭里。
他父母都是数学教师。
父亲当过小学校长，编过数学教材，以注重教学法闻名。
泽尔尼克的几位兄妹都是大学教授和文化界著名人士。
泽尔尼克从他父亲那里继承了对物理学的爱好。
他小时候就有自己的实验器材库。
由于偏爱科学课程，希腊文和拉丁文往往考不及格。
在学生时代他把大量时间投入实验，特别是彩色照像术。
由于经费有限，他不得不自己备制彩色摄影所需的酒精。
百年诺贝尔物理学奖及其对现代科技的影响
诺贝尔物理学奖及其对现代科技的影响摘要：诺贝尔奖是根据瑞典化学家阿尔弗雷德·诺贝尔的遗嘱所设立的奖项，包括的奖项有和平奖、化学奖、生理学或医学奖、文学奖、物理学奖，旨在奖励那些曾赋予人类最大利益的人。
诺贝尔物理学奖从1901年开始颁发至今已有百余年的历史，目前它已成为国际上最具影响力及权威性的科学奖项。
本文简要介绍了诺贝尔的生平及诺贝尔奖的由来，着重论述了诺贝尔物理学奖对现代科技的影响，由诺贝尔物理学奖的颁发预测了21世纪物理学的发展趋势，揭示了诺贝尔物理学奖颁发的启示。
关键词: 诺贝尔物理学奖现代科技发展趋势启示第一章诺贝尔生平及诺贝尔奖概述1.1 诺贝尔生平阿尔弗雷德·伯纳德·诺贝尔（Alfred Bernhard Nobel），是19世纪著名的化学家，1833年10月21日出生于瑞典首都斯德哥尔摩。
就在诺贝尔出生前一年，一场火烧毁了他的家，全家只好靠借债度日，父亲为了躲债，单身离家出走，幸好由母亲把家务全部担当下来。
诺贝尔凄苦的童年生活使他身体虚弱、性格内向。
诺贝尔8岁上学，仅读了一年就辍学了，这是他一生唯一的一次接受学校教育。
诺贝尔父亲是一位很有才干的机械师，后来他父亲发明的机械在俄国受到欢迎，家境开始好转，在1842年，诺贝尔9岁时全家迁居俄国彼德堡。
由于语言不通，诺贝尔和两个哥哥都进不了当地的学校，只得请家庭教师教他们学习外语和自然科学。
由于诺贝尔的勤奋学习，他的学识不亚于他的两个哥哥，深得教师和父亲的喜爱。
过了不久，诺贝尔的哥哥要回瑞典，诺贝尔也只好停止学业，他就到父亲开办的工厂当助手。
诺贝尔把工厂当大学，努力学习生产理论和生产技能。
为了扩大诺贝尔的视野，使他能学到先进的科学知识和技术，1850年他父亲让他出国进行旅行学习。
两年中，他去过德国、法国、意大利和美国，由于诺贝尔善于观察，认真钻研，知识积累迅速，所以在两年后回俄国时，他已经是一位精通几国语言和受过科学训练的学者。
2012年诺贝尔物理学奖
2012年诺贝尔物理学奖2012年物理学奖，由两位物理学家分享，他们是美国的大卫•维因兰德(David Wineland)和法国的塞尔日•阿罗什(Serge Haroche)。
获奖理由是他们创造的突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能。
大卫•维因兰德(David Wineland, 1944—),出生于美国威斯康辛州密尔沃基。
1961年，从加州沙加缅度的恩忻娜高中(Encina High School)毕业。
进入加州大学柏克利分校读本科，1965年得到学士学位。
之后，他以优异成绩转入哈佛大学攻读博士学位，导师是诺曼•拉姆齐(1989年诺贝尔物理学奖得主)。
1970年获得博士学位。
之后加入汉斯•德默尔特(1989年诺贝尔物理学奖得主)的研究团队，在华盛顿大学做博士后。
1975年，美国国家标准技术研究所聘请他为物理研究员。
在那里，他成为离子储存团队的领导人。
应用激光冷却离子技术，该团队制做出至2012年为止最准确的原子钟，比铯-133原子钟的频率标准还要精确两个数量级。
塞尔日•阿罗什(Serge Haroche, 1944—)，出生于摩洛哥的卡萨布兰卡，法国公民。
1967年毕业于巴黎高等师范学校。
1971年从巴黎第六大学(皮埃尔与玛丽•居里大学)获得博士学位，进入法国国家科学研究中心工作。
1975年后先后任皮埃尔与玛丽•居里大学物理学教授、巴黎高等师范学校教授、法兰西大学教授、量子物理学会主席。
对于大众来说，2012年物理学最重大的发现应该是欧洲核子中4(CERN)运行的大型重子对撞机(LHC)发现了粒子物理学家们寻找了几十年的“希格斯玻色子”，因此，英国科学家皮特•希格斯(Peter Higgs)获得本年度的诺贝尔物理学奖似乎是“众望所归”。
但希格斯教授未获今年诺贝尔奖的原因也很容易理解：每年诺贝尔奖的提名在当年的2月份就截止了，而彼时尚未确定发现希格斯玻色子；其次，每一届诺贝尔物理学奖的获奖人数不超过三人，如果授予有关希格斯玻色子的工作，那么获奖名单实在难以确定一一在实验方面，数以千计的实验人员在大型重子对撞机前工作数年，理应是发现希格斯玻色子的最大功臣；在理论方面，最早提出关于标准粒子模型理论的是比利时理论物理学家弗朗索瓦•恩格勒(Francois Englert)和罗伯特•布罗特(Robert Brout),在随后半年里又有六位科学家相继发表了相关的论文，而皮特•希格斯则是第一个预言在这个理论当中存在着一个尚未发现的基本粒子的人，这些科学家都对希格斯玻色子的发现做出了重要贡献。
【历届诺贝尔奖得主(十一)】2010年物理学奖
2010年12月10日第一百一十届诺贝尔奖颁发物理学奖2010年：英国曼彻斯特大学科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因在二维空间材料石墨烯的突破性实验获奖。
安德烈·海姆安德烈·海姆（AndreGeim），英国曼彻斯特大学科学家。
父母为德国人，1958年10月出生于俄罗斯西南部城市索契，拥有荷兰国籍。
1987年在俄罗斯科学院固体物理学研究院获得博士学位，毕业在校工作三年后在英国和丹麦继续他的研究工作。
现受聘于英国曼彻斯特大学，1994年在荷兰奈梅亨大学担任副教授，也是荷兰代尔夫特大学的名誉教授。
他于2001年加入曼彻斯特大学任物理教授。
在他的职业生涯中，海姆发表了超过150篇的顶尖文章，其中很多都发表在自然和科学杂志上。
简介安德烈·海姆[1]安德烈·海姆[1]他科研当中最受瞩目的就是2004年在曼彻斯特大学任教期间他和康斯坦丁发现了2维晶体的碳原子结构，也就是著名的石墨烯。
到目前为止他杰出的研究工作已经使他获得了无数的奖项。
其中包括2007年的MottPrize和2008年的EurophysicsPrize。
2009年4月他还获得了KörberEuropeanScienceAward。
2010年获得皇家学会350周年纪念荣誉研究教授。
.值得一提的是在发现石墨烯之前，早在2000年他还获得“搞笑诺贝尔奖”——通过磁性克服重力，让一只青蛙悬浮在半空中。
10年后的2010年他获得诺贝尔物理学奖。
他也是世界上唯一一个同时获得过诺贝尔奖和搞笑诺贝尔奖的科学家。
[2] 安德烈目前是曼彻斯特大学Langworthy研究教授也是曼彻斯特大学纳米科技中心主任，之前拥有此荣誉头衔的人包括发原子裂变的卢瑟福爵士，卢瑟福于1907-1919年在曼彻斯特大学工作，1908年获得诺贝尔化学奖。
在获奖后接受采访时安德烈·海姆说：“对于研究人员来讲，诺贝尔奖是一个至高无上的荣誉。
2010年诺贝尔物理学奖获得者及获奖原因
英国曼彻斯特大学2位科学家因在石墨烯方面的开创性实验获奖北京时间10月5日下午5点45分，2010年诺贝尔物理学奖揭晓，英国曼彻斯特大学2位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）因在二维空间材料石墨烯（graphene）方面的开创性实验而获奖。
安德烈·盖姆（Andre Geim），荷兰公民。
1958年出生于俄罗斯索契。
1987年从俄罗斯科学院固态物理研究所获得博士学位。
英国曼彻斯特大学介观科学与纳米技术中心主任。
曼彻斯特大学物理学教授及皇家学会2010周年纪念研究教授。
康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov），英国和俄罗斯公民。
1974年出生于俄罗斯下塔吉尔。
2004年从荷兰内梅亨大学获得博士学位。
英国曼彻斯特大学教授及皇家学会研究员。
只有一个原子厚度，看似普通的一层薄薄的碳，缔造了本年度的诺贝尔物理学奖。
安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖罗夫向世人展现了形状如此平整的碳元素在量子物理学的神奇世界中所具有的杰出性能。
作为由碳组成的一种结构，石墨烯是一种全新的材料——不单单是其厚度达到前所未有的小，而且其强度也是非常高。
同时，它也具有和铜一样的良好导电性，在导热方面，更是超越了目前已知的其他所有材料。
石墨烯近乎完全透明，但其原子排列之紧密，却连具有最小气体分子结构的氦都无法穿透它。
碳——地球生命的基本组成元素——再次让世人吃惊。
安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖罗夫是从一块普通得不能再普通的石墨中发现石墨烯的。
他们使用普通胶带获得了只有一个原子厚度的一小片碳。
而在当时，很多人都认为如此薄的结晶材料是非常不稳定的。
然而，有了石墨烯，物理学家们对具有独特性能的新型二维材料的研制如今已成为可能。
石墨烯的出现使得量子物理学研究实验发生了新的转折。
量子光学之父和精密光谱学大师——2005年诺贝尔物理学奖
量子光学之父和精密光谱学大师——2005年诺贝尔物理学奖2005年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，将2005年度诺贝尔物理学奖的一半奖金授予美国量子光学家罗伊·格劳伯，以表彰他对光学相干的量子理论做出的贡献；另一半奖金则颁发给美国量子激光学家约翰·霍尔和德国量子光学家特奥多尔·亨施，以表彰他们对基于激光的精密光谱学发展做出的贡献。
罗伊·格劳伯1925年出生于纽约，毕业于美国哈佛大学，1949年获得哈佛大学博士学位，1952年成为哈佛大学助理教授，1956年获得哈佛大学终身教授之职，现仍供职于哈佛母校。
他成为第42个荣获诺贝尔奖的哈佛大学教授。
约翰·霍尔1934年出生于美国丹佛，1961年获卡内基理工学院博士学位，1964年获匹兹堡剑桥技术学院物理学博士学位，现供职于科罗拉多大学，同时兼任美国国家标准和技术研究院高级科学家。
特奥多尔·亨施1941年出生于德国海德堡，1969年获海德堡大学博士学位，目前担任德国马克斯－普朗克学会下属的量子光学研究所所长，同时担任慕尼黑路德维希－马克西米利安大学物理学教授。
光是什么？—光的量子性人类自诞生之日起，就对自身赖以生存的神秘的光产生了浓厚的兴趣。
它的本质是什么？究竟是粒子还是波？18世纪中叶，牛顿认为，光是由很小的物质微粒组成，从发光体发出，犹如一群飞行的子弹，从而建立了光的微粒说。
19世纪中叶，波更斯和菲涅尔等人通过对光的反射、折射、干涉和衍射的广泛研究，认定光是一种波。
之后，麦克斯韦提出了电磁波的理论，认为光本身就是一定波长范围的电磁波。
光就是电磁波，光的量子性，确切地讲应该是电磁场的量子性，这就是量子力学研究的范畴。
德国人普朗克在1900年提出量子假说，并于1906年建立经典量子论的理论基础，即能量只能取某一基本量（即能量子或作用量子）的整倍数，这一作用量子也称普朗克常数（h），是微观世界的基本标志。
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诺贝尔奖与光学Nobel Prize and Optics激光 与 全息激光简介―激光”一词的来历：Laser ：L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation. 受激辐射的光放大人物及获奖时间获奖原因普朗克1918in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by hisdiscovery of energy quanta 能量子的发现，开创近代物理 部分与光学有关的诺贝尔奖获得者人物及获奖时间获奖原因爱因斯坦1921 for his services toTheoretical Physics,and especially for hisdiscovery of the law ofthe photo-electriceffect理论物理的贡献，特别是光电效应规律的发现人物及获奖时间获奖原因玻尔1922年for his services in theinvestigation of thestructure of atoms andof the radiationemanating from them原子结构理论和辐射理论人物及获奖时间获奖原因Raman 1930年for his work on thescattering of light and forthe discovery of the effectnamed after him研究光的散射并发现以他名字命名的“拉曼效应”人物及获奖时间获奖原因TownesBasov, Prokhorov1964年for fundamental work inthe field of quantumelectronics, which has ledto the construction ofoscillators and amplifiersbased on the maser laserprinciple量子电子学的开创性工作，微激射器及激光原理上的振荡和放大人物及获奖时间获奖原因Gabor 1971 for his invention anddevelopment of theholographic method全息术人物及获奖时间获奖原因Bloemberge,Schawlow1981for theircontribution tothe developmentof laserspectroscopy发展激光光谱的贡献人物及获奖时间获奖原因朱棣文,Tannoudji, Phillips1997 for developmentof methods tocool and trapatoms with laserlight激光冷却与原子阱人物及获奖时间获奖原因诺贝尔化学奖获得者Zewail1999年for his studies ofthe transition statesof chemicalreactions usingfemtosecondspectroscopy用飞秒光谱研究化学反应中的过渡态人物及获奖时间获奖原因2005年Roy J. Glauber for his contribution to the quantum theory of optical coherence光学相干的量子理论John L. Theodor Hall W. Hänsch for their contributions tothe development of laser-based precision spec-troscopy, including theoptical frequency combtechnique 基于激光的精密光谱学和光梳技术人物及获奖时间获奖原因K. Kao 高锟2009for groundbreakingachievementsconcerning thetransmission of light infibers for optical com-munication光通信中•19世纪末近代物理学晴朗天空上的三朵不祥乌云黑体辐射+光电效应+原子的分裂谱线时间及人物事件1900年，普朗克(1918获奖)(黑体辐射现象)提出“能量子”假说:能量交换不连续取值1905年,爱因斯坦(1921获奖)(光电效应现象)提出“光量子”假说E= hυ1913年,玻尔(1922年获物理奖)（原子的分裂谱线）电子在原子中只能处于一系列不连续的能级，不同能级间电子发生跃迁发出或吸收光子能量hυ=E2-E1激光发展史时间及人物 事件 1917年， 爱因斯坦从普朗克黑体辐射公式的推导中，物质发光与吸收必须能量守恒，理论上预言存在着原子受激辐射的可能性，为激光打下理论基础二战期间高频率微波雷达的研制，从实验上得出受激辐射增强的条件激光发展史时间及人物 事件1954年Charles H. Townes 微波量子放大器（MASER) 1958 年Townes and Schawlow 以及苏联科学家提出将MASER 原理推广到光波段1960年T.H. Maiman研制出世界上第一台激光器——红宝石激光器 1960年后至今各种激光器、激光技术应运而生。
激光被广泛应用，成为最重要的技术之一。
激光发展史激光如何偶然发现?美国科学家汤斯(1915- ) 的贡献 •1939年博士毕业(加州理工学院) •40年代起研究微波波谱学 •微波激射器原理(1951)•微波激射器发明(1953) Maser•激光器原理(57-58)——论文《红外与光学激射器》提出受激辐射发光的可能性、以及必要条件：粒子数反转激光如何偶然发现?美国科学家汤斯(1915- ) 的贡献•提出制造红宝石激光器的建议（1959年） •第一台激光器(1960)美国休斯实验室梅曼 •1964年汤斯与两名苏联科学家（巴索夫、普罗霍罗夫）同获诺贝尔奖获奖原因：量子电子学基础研究第一台红宝石激光器的结构图Partially silvered endCoolingRuby rod Power Laser beamFlash lampFully silvered end红宝石棒 全反射镜闪光灯激光束电源 部分反射镜冷却水激光的基本原理激光产生的条件•激活介质 active medium•粒子数反转 population inversion •产生振荡 oscillation普通光源的发光•物质受到外来能量（光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子吸收外来能量，从低能级跃迁到高能级，原子被激发——受激吸收（共振吸收）•处在高能级的电子寿命很短，在没外界作用下自发向低能级跃迁——自发辐射 •自发辐射是随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，位相偏振各不相同吸收、辐射和受激辐射原子的组成 原子的能级图-e+Ze原子核 电子E 1E 2E 3 基态ΔE=E 2 –E 1= h uE 1E 2ΔE=E 2-E 1=h u受激吸收、自发辐射 ENERGYE2E1PHOTONABSORBED(A)E2E1PHOTON EMITTED(B)受激吸收 (A) 自发辐射 (B).光与原子相互作用过程E 1E 2ΔE=E 2-E 1=h u受激辐射 受激辐射和光放大过程E2ENERGYE1Stimulated emissionStimulated emission光与原子相互作用过程受激辐射和光放大•受激辐射过程：原子开始处于高能级E2,当外来光子所带的能量hυ=E 2-E 1 ，原子在此外来光子的诱发下从高能级E 2跃迁到低能级E 1•受激辐射光子特点，原子可发出与诱发光子全同的光子，频率(能量)相同，位相、偏振方向相同。
入射一个光子，出射两个全同光子——光放大——激光W ST /W AB =N 2/N 1 热平衡：波尔兹曼分布图NE 0 E 1 E 2 E 3 E 4EN=N exp[-(E-E )/kT]N 1N 2N 3N 4N 0受激辐射几率/受激吸收几率―粒子数反转”：为实现受激辐射占主导地位，N 2必须大于N 1，即激光介质中的原子必须激发或泵浦到一种非平衡分布状态。
这是形成激光的必要条件。
粒子数反转从抽水泵浦例子了解粒子数反转的可能性粒子数反转的实现——光泵浦N(a)(b)ENEN 1N 2E 1E 0Stimulated emission , ("laser action")Fast decayE 2E 1N 0MetastableStatePumpingE 2N 0N 2N 1 E 0三能级系统粒子数反转的实现——光泵浦四能级系统N(a)(b)ENEN 1 E 2E 1E 0Stimulated emissionE 2E 1E 0N 2N 1N 0Metastable StatePumpingN 2 N 3decayFast Fast decayN 3E 3 E 3Metastable StateN 0激光增益材料•原子或分子的能量已经处于反常分布的一类材料，在激发态的数目比在基态或能量较低的态的数目多，即存在粒子数反转。
有合适频率电磁能量的波动通过此类材料后，由于辐射的受激辐射而造成光放大—激光增益材料•符合条件的材料很多，作为工作介质用于激光器，可以得到性能各异的激光器激光增益介质材料光谱段波长 (nm) ArFKrFXeClHeCdN2紫外193248308325337Kr+HeCdAr+蓝色413442488Ar+Cu vapor绿色514.5510激光增益介质材料光谱段波长(nm)He-NeKr+RubyTi:sapphire GaAsGaAs/GaAlAs 红632.8647694.3670-1070850780Nd:YAG Nd:Glass COCO2红外106410535000-65009000-11000激光增益介质增益系数（gain coefficient）：gg～D N D N=Nj－Ni.I0 IlActive Medium激光增益介质I = I e0g .lI 0ILength of the active medium g largeg smalll 光在增益介质中经历路程越长，放大越大光学谐振腔lI 0I 3I 2I 1A C TIV E M E DIUMM IRRO RS光学谐振腔的奥妙•能量的充分利用：介质处在粒子数反转时，谐振腔使光来回反复，与上能级原子相互作用，产生受激辐射 •能量在空间上的高度集中：受激辐射来源于激光介质内的自发辐射，只有沿谐振腔轴线方向的光受激辐射才能放大。