1.8. Двухуровневая система
Первым успешным решением вопроса о создании среды с инверсной населенностью явилось осуществление двухуровневой системы на молекулах аммиака, т. е. молекулярного пучкового генератора СВЧ.
Вероятности переходов в двухуровневой системе рассмотрены ранее.
Используя выводы и метод рассуждения Эйнштейна, рассмотрим условия работы системы с двумя уровнями 
и населенностями уровнен 
соответственно. Под внешним воздействием в такой системе возможны следующие переходы (рис. 1.8). Резонансное поглощение электромагнитного излучения с переходом с уровня 1 на уровень 2 характеризуется вероятностью (1.37).
Рис. 1.8. Переходы в двухуровневой системе.
Возвращение возбужденных атомов на уровень 1 возможно путем как вынужденных, так. и спонтанных переходов, поэтому выражается суммарной вероятностью (1.44).
Поскольку полное число частиц сохраняется (условие нормировки), т. е. 
то, учитывая (1.47), получаем выражение для стационарного режима:
Создайие инверсной населенности в такой системе с помощью внешнего возбуждения весьма затруднительно. Однако согласно функции распределения Максвелла — Больцмана и в равновесных условиях всегда имеется небольшое число молекул, обладающих высокой кинетической энергией, т. е. находящихся на высоких энергетических уровнях. Следовательно, еслн осуществить отделение этих возбужденных молекул от певозбужденных, то вопрос о создании активной среды с инверсной населенностью будет решен. Эта идея и была использозана в первых действующих молекулярных генераторах на аммиаке, описанных в 1954 г. в работах Н. Г Басова и А. М. Прохорова, а также Д. Гордона, Г. Цайгера, Ч. Таунса и Д. Вебера.
В настоящее время молекулярные генераторы широко используются для научных и технических целей. Их основное достоинство — очень высокая стабильность частоты — позволяет использовать их в радиоспектроскопии в качестве наиболее точных молекулярных часов и т. д.
Существуют и атомные пучковые генераторы. Например, генератор на пучке атомов водорода, излучение которого характеризуется длиной волны 
см.
