理想的な 4 準位系のエネルギー準位を図に示す。この系では、レーザー下準位 E1 は基底準位 E0 に対して十分に大きく (E1 ≫ kT )、基底準位からレーザー下準位への熱的な励起はない。さらに、励起準位 E3 の寿命 τ32 が他の準位 の寿命に比べ非常に短い場合には、励起準位 E3 の密度分布 N3 は無視でき、全原子密度は Ntot = N0 + N1 + N2 である。さらに、理想的な 4 準位レーザーで は τ10 ≈ 0 と近似できるため、N1 = 0 となり、反転分布密度は N = N2 となる。よって、反転分布密度に対するレート方程式は下式で表される。
ここで、レーザー上準位の蛍光寿命 τf 、励起率 Wp、励起量子効率 ηp は次式で 表される。
図：4 準位系の概念図。(a) エネルギー準位図、(b) 反転分布状態
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