6.5 Отрицательная температура и отрицательный коэффициент поглощения в твёрдом теле.

–I=Ix=(B12N1–B21N2)uhx

Коэффициент поглощения  будет иметь вид:

Учитывая, что g1B12=g2B21 получаем

Из распределения Больцмана следует, что

следует, что

Поскольку E2>E1, а в равновесии g1N2<g2N1 то T>0.

Однако если выполняется неравенство

или то Т<0.Инверсия населенности.Методы образования инверсии населенности. Как известно, коэффициент поглощения  имеет вид

Из распределения Больцмана следует, что

Поскольку E2>E1, а в равновесии g1N2<g2N1 то T>0.

Однако если выполняется неравенство

или

то Т<0. Таким образом, для того чтобы создать среду с отрица­тельным поглощением, необходимо осуществить неравновесное со­стояние, при котором число возбужденных атомов было бы больше числа атомов, находящихся в нормальном, невозбужденном состоя­нии. Заселенность энергетических уровней атомов, удовлетворяю­щих данному неравенству, носит название инверсной насе­ленности. Одним из способов получения среды с отрицательным поглоще­нием может явиться создание косвенным путем избытка атомов на более высоком уровне энергии по отношению к более низкому. Такой случай можно осуществить на атомной или молекулярной системе, которая может находиться в трех энергетических состоя­ниях: в нормальном с энергией E0 и двух возбужденных (1 и 2) с энергиями E1 и E2, между которыми возможны спонтанные пе­реходы с вероятностями А20, A21 и A10. В такой системе с помощью поглощаемых квантов света произ­водится заселение возбужденного уровня 2. Селективное заселе­ние уровня получило название оптической накачки. Уровень 1 заселяется только в результате спонтанного перехода 21, и число таких переходов в единицу времени равно A21N2

У меньшение населенности уровня 1 происходит только за счет пе­реходов 10, и число таких переходов в единицу времени будет A10N1. В стационарных условиях количество заселяющих пере­ходов равно числу обратных переходов: A21N2=A10N1.Для получения индуцированного излучения необходима ин­версная населенность уровней, т. е. населенность уровня 2 должна быть больше, чем уровня 1. Для рассматриваемой системы инверс­ная населенность уровней возникнет в том случае, если A21<A10.

Из этого соотношения следует, что уровень 2 за счет перехода 21 должен опустошаться медленнее, чем уровень 1 за счет пе­реходов 10. При таком соотношении вероятностей в состоянии 2 будет накапливаться больше атомов, чем в состоянии 1. Однако для осуществления такого процесса накопления атомов необходимо также, чтобы уровень 2 достаточно медленно опустошался за счет переходов 20, т.е. вероятность перехода из состояния 2 в со­стояние 0 должна быть мала.