Условия, необходимые для создания в веществе инверсной населенности энергетических уровней.

Какими же способами можно создать состояние с инверсной населенностью энергетических уровней в веществе? Создать инверсную населенность в системе двух уровней путем длительного освещения вещества мощным световым импульсом невозможно. Во-первых, с увеличением концентрации частиц на верхнем уровне возрастает вероятность спонтанных переходов; во-вторых, возбуждающее излучение вызывает индуцированное излучение, переводящее частицы на нижний уровень.

Иные возможности открываются при использовании веществ, среди энергетических состояний которых имеются такие возбужденные состояния, в которых атомы могут находиться не , как обычно, а значительно более длительное время. Такие состояния и соответствующие им уровни энергии называют метастабильными.

Пусть уровень энергии на рисунке 103, а метастабильный, характеризуемый «временем жизни», в 1000 раз большим «времени жизни» уровня .

При наличии уровня возможны спонтанные переходы из состояния не только в основное состояние Ей но и переходы на метастабильный уровень Оба перехода сопровождаются выделением соответствующей им энергии:

Большое различие во временах жизни в состояниях приводит к тому, что под действием возбуждающих фотонов с энергией атомы переходят сначала в состояние

Рис. 103

а затем, излучая квант с энергией они переходят в состояние . В результате происходит накопление атомов в метастабильном состоянии и число их со временем оказывается большим числа атомов в основном состоянии Значит, в веществе с такой системой уровней действием возбуждающего излучения может быть создана инверсная населенность уровней.

Если направить в предварительно подготовленное таким образом вещество квант электромагнитного излучения то вследствие явления индуцированного излучения произойдет усиление света, что условно и показано на рисунке Число фотонов увеличивается в геометрической прогрессии. На выходе усилителя света фотонов больше, чем на входе, или, что то же самое, амплитуда электромагнитных колебаний возрастает пропорционально числу индуцированных переходов.

Система атомов с инверсной населенностью уровней способна не только усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение. Для работы в режиме генератора необходима положительная обратная связь, при которой часть сигнала с выхода устройства подается на его вход. Для этого активная среда, в которой создается инверсная населенность уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал. В результате одного из спонтанных переходов атомов с метастабильного уровня на основной возникает фотон с энергией:

При движении в сторону одного из зеркал он вызывает индуцированное излучение, и к зеркалу подходит целая лавина фотонов с энергией каждый. После отражения от зеркала лавина фотонов движется в противоположном направлении, попутно заставляя высвечиваться с метастабильного уровня возбужденные атомы, оставшиеся в этом состоянии.

С квантовых позиций генерация света должна происходить при любом расстоянии между зеркалами. Но опыт показывает, что она возникает только при определенной длине резонатора, кратной целому числу полуволн:

При этом условии разность хода между вышедшей волной и волной, испытавшей отражение от двух зеркал, оказывается равной целому числу длин волны, и на выходе лазера происходит сложение амплитуд световых волн.

Рассмотренный принцип усиления и генерации электромагнитного излучения был предложен советскими физиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и одновременно американским физиком Ч. Таунсом. За работы в этой области Н. Г: Басов и А. М. Прохоров удостоены Ленинской премии в 1959 г. и вместе с Ч. Таунсом в 1964 г. им была присуждена Нобелевская премия.