§ 7. Трехуровневый мазер Бломбергена

Принцип работы мазера заключается в следующем. Рабочее вещество облучается на частоте, равной частоте линии поглощения, соответствующей переходу между двумя энергетическими уровнями. Это приводит к излучению энергии на другой частоте, если в результате поглощения верхний уровень оказывается более заселенным, чем нижний. Таунс (см. [10, 11]) и независимо Прохоров и Басов [12] показали, что такую систему можно использовать в качестве основы для генератора электромагнитного излучения нового типа. Таунс осуществил инверсию населенностей в газообразном аммиаке физическим разделением молекул, находящихся на верхнем и нижнем энергетических уровнях, с помощью электрических полей соответствующей формы. Была использована аппаратура для работы с молекулярными пучками. Частота генерации попадает в диапазон СВЧ.

Вскоре после этого Бломберген обнаружил, что инверсию энергетических уровней можно осуществить, используя эффект Оверхаузера — Паунда, в котором перезаселение уровней производится путем насыщения перехода. Для осуществления идеи

Бломбергена требуется система с тремя или более энергетическими уровнями (рис. 7.10).

Пренебрежем для, простоты тепловой релаксацией между состояниями 2 и 3, тогда

поэтому

Таким образом, и поскольку

то

т. е. верхний уровень заселен больше нижнего, а это как раз и есть условие для работы мазера на частоте

Рис. 7.10. Трехуровневый мазер Бломбергена. Переходы, обусловленные тепловой релаксацией, показаны пунктирными линиями. Индуцированный переход обозначен сплошной линией с двумя стрелками. При выравнивании населенностей в результате насыщения населенность оказывается инвертированной относительно населенностей или в зависимости от относительных величин вероятностей релаксационных переходов между состояниями 1 и 2 или 2 и 3.

Бломберген показал [13], что ситуацию, которую он описал теоретически, можно осуществить экспериментально в парамагнитных ионах.

Идея Бломбергена имела громадное значение. Инверсия заселенностей уровней под действием накачки другого перехода является основой работы всех лазеров. Накачку можно сделать оптически (когда используется источник света), или осуществить эквивалент накачки в химических реакциях (когда создаются неравновесные населенности двух уровней системы и, следовательно, условия для работы химического лазера), или с помощью электрического разряда (лазер с электрическим разрядом). Прохоров и Басов [12] независимо развили многие из этих принципов.