Часть 4.

Пусть имеется система, состоящая из большого числа атомов с двумя энергетическими уровнями и , и пусть большинство атомов находится в возбужденном состоянии с энергией (система обладает инверсной населенностью уровней, рис.3). пусть в систему вели фотон, частота которого удовлетворяет условию . Этот фотон, проходя мимо одного из атомов, вызовет рождение нового, точно такого же фотона (рис. 3, а). в свою очередь эти два фотона приведут к рождению новых фотонов, и их число начнет лавинообразно расти по мере прохождения излучения через вещество (рис. 3, б). конечно, в системе будут происходить и переходы с уровня на уровень под действием проходящего излучения, но этих переходов немного, поскольку населенность уровня мала.

В каждый области пространства, заполненной активным вещество, возрастание интенсивности электромагнитной волны будет пропорционально энергии самой этой волны

(4)

Где, – коэффициент квантового усиления вещества, – интенсивность начальной волны. В реальных веществах всегда есть дополнительное ослабление волны – рассеяние на неоднородностях, возбуждение другой пары уровней, удовлетворяющих условию , но не обладающих инверсией населенностей, а также небольшое число переходов . Поэтому (4) с учетом поглощения запишется

(5)

Где – характеризует потери в веществе. Решая (5), получим закон изменения суммарной интенсивности с расстоянием, пройденным волной в активной среде:

(6)

Из (6) видно, что обязательным условием квантового усиления является, помимо инверсной населенности уровней, выполнение условия , т.е. излучение активных атомов должно с избытком компенсировать потери электромагнитной волны в веществе.

Как получить инверсную населенность уровней? принципиально это можно сделать в простейшей двухуровневой системе, изображенной на рисунках 1, 2 и 3. для этого нужно осветить такую систему очень сильным и очень коротким световым импульсом частоты так, чтобы электроны оказались выброшенными на уровень 2, но не успели бы спуститься спонтанно назад на уровень 1. Эту инверсию теперь можно было бы использовать для генерации или усиления слабого входного сигнала, но за время не более сек. Осуществить это практически трудно, и лазеры такого режима работы не получили применения.

Для совпадения инверсной населенности используется трех- или четырехуровневая система, причем один из уровней имеет время жизни большее, чем другие (метастабильный уровень). Ширина уровня и время жизни электрона на нем связаны известным соотношением Гейзенберга

(7)

Если время жизни электрона на уровне велико (о причине будет сказано ниже), то этот метастабильный уровень в силу (7) будет узким. Пусть имеется трехуровневая система (рис. 4), где – основной, – возбужденный метастабильный узкий уровень, а – возбужденный короткоживущий (широкий) уровень, играющий вспомогательную роль. Введем в систему пучок электромагнитного излучения , которое переведет часть атомов с энергетического уровня 1 на уровень 3 (осуществим «накачку»). Во время накачки происходит переходы , которые осуществляют повышение населенности уровня 2. время жизни электронов на этом уровне велико, и инверсия постепенно нарастает. Слабое внешнее воздействие (слабый свет частоты ) вызовет большое число излучательных вынужденных переходов . Ввиду вынужденного испускания система излучает когерентно, давая усиленный выходной сигнал.