2.2 Умови, необхiднi для створення у середовищi iнверсної населеностi рiвнiв

Експерименти показали, що не в будь-якому середовищi можна створити стан з iнверсною населенiстю рiвнiв. Наприклад, створити iнверсну населенiсть в системi з 2-х рiвнiв (дворiвнева населенiсть) навiть шляхом тривалого освiтлення речовини потужним свiтловим iмпульсом неможли­во. Це пов’язано iз слiдуючими причинами: по-перше, iз збiльшенням концентрацiї частинок на верхньому рiвнi (рівні з енергiїю Е₂), зростає імовірність спонтанних переходів; по-друге, збуджуюче випромінювання викликає вимушене випромінювання, яке переводить частинки на нижній рівень.

Інші можливості відкриваються при використанні системи з трьома рівнями, серед яких є такі збуджені стани, в яких атоми можуть знаходитись не 10^-8 с, а значно триваліше. Такі стани і рівні енергій, які їм відповідають називають метастабільними.

а б

Рис. 16.5

Нехай рівень енергії Е₂ (рис. 16.5, а) метастабільний і характеризу­ється “часом життя” в 1000 разів більшим за “час життя “рівня Е₃ (t~10^-8 с).

При наявності рівня Е₂ можливі спонтанні переходи із стану Е₃ не тільки в основний стан Е₁, але й переходи на метастабільний рівень Е₂. Обидва переходи супроводжуються виділенням відповідної енергії:

(16.12)

Велика різниця в тривалостях життя в станах Е₃ і Е₂ призводить до того, що під дією збуджуючих фотонів з енергією h^^Е₃ – Е₁ атоми переходять спочатку у стан Е₃, а потім вип­ро­мі­нюючи квант з енергією Е₃₂ = Е₃ – Е₂, вони переходять в стан Е₂. В результаті відбувається накопичення атомів на метастабільному рівні Е₂ і число їх з часом виявляється більшим за число атомів на основному рівні Е₁. Значить, в результаті з такою системою рівнів під дією збуджуючого випроміню­вання h^^Е₃ – Е₁ може бути створена інверсна населеність рівнів.

Якщо направити в попередньо підготовлену таким чином речовину квант електромагнітного випромінювання h₂₁ = Е₂ – Е_1, то внаслідок явища інду­кованого випромінювання відбудеться підсилення світла, що умовно показано на рис 16.5, б. Число випромінених фотонів збільшується в геометричній прогресії. На виході підсилювача світла фотонів більше, ніж на вході, або, що теж саме, амплітуда електромагнітних коливань зростає пропорційно числу індукованих переходів.

Система атомів з інверсною населеністю рівнів здатна не тільки підсилю­вати, але й генерувати електромагнітне випромінювання. Для роботи в режимі генератора необхідний додатковий зворотний зв’язок, при якому частина сигналу з виходу пристрою подається на його вхід. Для цього активне середовище, в якому створюється інверсна населеність рівнів, розміщується в резонаторі, який складається з двох паралельних дзеркал. Якщо в результаті одного із спонтанних переходів атомів з мета­стабільного рівня на основний виникає фотон з енергією h_ Е₂ – Е₁, то при поширенні його в бік одного із дзеркал фотон викликає індуковане випромінювання і до дзеркала підходить ціла лавина фотонів з енергією h₂₁ кожний. Після відбиванння від дзеркала лавина фотонів поширю­ється у протилежному напрямку, водночас змушуючи висвітлюватися з метастабільного рівня збуджені атоми, які залишилися в цьому.

З квантових міркувань генерація світла повинна відбуватися при будь-якій відстані між дзеркалами. Але досвід показує, що вона виникає тільки при певній довжині L резонатора, яка кратна цілому числу півхвиль:

. (16.14)

За цієї умови різниця ходу між хвилею, яка виникла, і хвилею, яка відбилася від двох дзеркал, є рівною цілому числу довжин хвиль, і на виході підсилювача відбувається додавання амплітуд світлових хвиль.

Розглянутий принцип підсилення і генерації електро-магнітного випромінювання був запропонований російськими фізиками радянської доби Н.Г.Басовим і А.М.Прохоровим і одночасно американським фізиком Ч.Таун­сом. За роботи в цій галузі Н.Г.Басов, А.М.Прохоров в 1959 році були нагород­жені Ленінською премією і разом з Ч.Таунсом в 1964 році їм присуджена Нобелівська премія.