11.5.2. Принцип действия мазера

Уравнение (11.24) показывает, что в состоянии равновесия нижний уровень всегда более заселен, чем верхний. Из этого с очевидностью следует, что член, описывающий поглощение в левой части уравнения (11.29), больше члена, описывающего вынужденное излучение в правой. Действительно, для уровней, разделенных по энергии, составляющей несколько или более, равновесное вынужденное излучение незначительно по сравнению с двумя другими процессами перехода. Ситуация может быть изменена на противоположную с сильным эффектом посредством процесса, называемого накачкой. Существует много способов практического осуществления накачки, но мы не будем вдаваться в детали. Важно, что можно достигнуть радикального изменения заселенности уровней, так что при определенных обстоятельствах будет удовлетворяться условие представляющее собой условие инверсной населенности. Хотя теперь система больше не является равновесной, заселенность уровней может быть описана аналогично уравнению (11.24) введением температуры —

Конечно, является не реальной температурой системы, а только параметром, характеризующим заселенность ее уровней. Заметим, что если величина — бесконечна, то система находится в пороговом состоянии инверсной населенности с равным числом молекул на обоих уровнях, а если то все молекулы находятся в верхнем состоянии, а нижнее остается пустым.

Когда достигается инверсная населенность, энергия, испускаемая в виде вынужденного излучения, превышает энергию,

поглощаемую в системе. Из этого вытекает предельно простое, но чрезвычайно важное следствие. Если слабый гармонический сигнал в виде поля излучения с частотой вводится в систему, то он вызовет большое число переходов, каждый из которых «вложит» в поле фотон с частотой Таким образом, система действует как усилитель. Более того, так как каждый переход вниз добавляет фиксированное количество энергии в существующее поле излучения, фаза испускаемого излучения должна совпадать с фазой входного сигнала. (Это можно легко пояснить, если рассмотреть сложение двух синусоидальных волн с одинаковыми частотами, но различными фазами. Результирующая интенсивность является функцией разности фаз, как известно из опытов по интерференции. Поэтому в мазере все компоненты поля излучения должны иметь одну и ту же фазу, если каждая вносит в поле одинаковую энергию.) Важность фазовой когерентности выходного сигнала нельзя переоценивать. С появлением мазера впервые стали доступны источники когерентного излучения с высокой интенсивностью. Вслед за этим нашли широкое применение оптические мазеры (или лазеры). Примером такого применения является голография, для которой фазовая когерентность является существенным требованием. Прогресс, который достигнут в этой области к настоящему времени, при отсутствии лазеров был бы невозможен.