某四能級系統(tǒng)，其E₀為基態(tài)能級，四個能級的簡并度相同。泵浦光頻率與E₀、E₃間躍遷相對應(yīng)，其躍遷幾率W₀₃=W_p。E₃能級到E₂能級的躍遷足夠快，使得E₃能級上的粒子數(shù)可忽略，且E₃到其它能級的躍遷可忽略。E₂能級的壽命τ₂較長，E₁能級的壽命τ₁較短，但不可忽略，因而E₁能級上的粒子數(shù)密度不可忽略，E₂→E₁的躍遷速率為1/τ₂₁，總粒子數(shù)密度為n，求：
1）在E₂和E₁間形成集居數(shù)反轉(zhuǎn)的條件（因無諧振腔，也無相應(yīng)頻率的光入射，因而E₂和E₁間的受激輻射和受激吸收可忽略）；
2）E₂和E₁間的反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度與W_p、n的關(guān)系式；
3）泵浦極強時E₂和E₁間的反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度。

如圖所示，波長為λ=1.06m的Nd：YAG激光器，全反射鏡的曲率半徑R=0.5m，距離全反射鏡a=0.15m處放置長為b=0.18的Nd：YAG棒，其折射率η=1.8，棒的右端直接鍍上半反射膜作為腔的輸出端。
1）判別腔的穩(wěn)定性；
2）求Nd：YAG晶體棒輸出端的光斑半徑；
3）在距輸出端c=0.2m處放置F=0.1m薄透鏡，求經(jīng)透鏡后的光腰半徑和位置。