1.13 Условие генерации
В результате оптической накачки в среде с зшверслой населенностью образуются фотоны спонтанного излучения в самых различных направлениях. Фотоны, распространяющиеся в направлениях, не совпадающих с осью оптического резонатора, вскоре покидают полость резонатора, тогда как фотоны, двигающиеся вдоль оптической оси резонатора, отражаясь на зеркалах, могут многократно проходить через активную среду. В результате взаимодействия этой группы фотонов с возбужденными атомами возникнут новые фотоны, характеризующиеся тем же значением частоты, фазы излучения и направлением распространения (рис. 1.15). Таким образом, интенсивность излучения внутри резонатора будет нарастать до величины, определяемой усилительными свойствами среды, скоростью накачки и потерями в резонаторе.
Условие порога генерации нетрудно оценить, «сходя из следующей упрощенной схемы возникновения генерации. При отсутствии потерь интенсивность света после двукратного прохождения длины резонатора 
может быть выражена формулой
где 
— коэффициент усиления.
Учитывая коэффициенты отражения на зеркалах 
можно характеризовать увеличение интенсивности множителем 
Если в результате прохождения потока фотонов через активное вещество интенсивность 
стала больше исходной 
то это значит, что в системе происходит генерация электромагнитных колебаний. Следовательно, условие генерации можно сформулировать так:
Введем коэффициент потерь
Рис. 1.15. (см. скан) К процессу усиления потока фотонов в кристалле рубина с хромом: а — невозбужденное состояние; б - воздействие подсветки; в — появление первых возбужденных атомов; г, д - процесс усиления в результате вынужденного излучения.
причем так как 
то 
Тогда условие генерации принимает вид
Отсюда следует более простое условие
т. е. при 
интенсивность излучения, начавшегося со спонтайного перехода, будет быстро возрастать, а при 
первоначальный
сигнал будет затухать. Поскольку
то это условие преобразуется к виду
или
Полученное выражение (1.110) определяет число активных атомов, которое необходимо для покрытия 
потерь в квантовой системе, т. е. для работы квантового генератора. Например, в случае трехуровневой системы на рубине, у которого 
с при длине кристалла 
мм и концентрации ионов хрома 
, равной 
примем 
Тогда для возникновения генерации необходимо иметь населенность метастабильного уровня, по крайней мере, 
