Инверсная населённость

Инверсная населённость

Для усиления света, проходящего через некоторую среду, одного только индуцированного излучения атомов среды недостаточно. Нужно ещё создать инверсную населённость энергетических уровней атомов. Давайте разберёмся, что это такое.

Когда свет идёт через вещество, возникают два противоположных эффекта.

1. Cвет поглощается атомами среды, находящимися в основном состоянии. Эти атомы переходят в возбуждённое состояние.

2. Свет усиливается за счёт индуцированного излучения возбуждённых атомов. Испуская фотоны, эти атомы возвращаются в основное состояние.

Возникает вопрос: какой эффект перевешивает? В обычных условиях большинство атомов вещества находятся в основном состоянии, меньшая их часть — в возбуждённом. В таком случае мы имеем нормальную населённость энергетических уровней (рис. 1, слева).

Рисунок 1. Два типа населённости уровней

Если свет проходит через среду с нормальной населённостью, то бо´льшая часть атомов поглощает свет; индуцированное излучение создаётся малым количеством атомов. В результате число фотонов уменьшается со временем, и световой поток ослабляется.

Можно, однако, создать условия, когда большинство атомов среды находится в возбуждённом состоянии. В таком случае населённость уровней называется инверсной (рис. 1, справа).

Если свет подходящей частоты распространяется в среде с инверсной населённостью, то фотоны чаще налетают на возбуждённые атомы, чем на невозбуждённые, так что индуцированное излучение фотонов преобладает над их поглощением. По мере прохождения света количество фотонов нарастает, и свет усиливается.

Как же создать в среде инверсную населённость? Нельзя ли просто направить на вещество мощный поток света и освещать до тех пор, пока больше половины атомов не перейдёт в возбуждённое состояние?

Добиться этого и в самом деле можно, но проблема состоит в том, что двумя энергетическими уровнями тут не обойдёшься. Действительно, поглощая фотоны, атомы будут переходить из основного состояния E1 в возбуждённое состояние E2; но те же самые фотоны падающего света будут вынуждать и обратные переходы с уровня E2 на уровень E1, сопровождающиеся индуцированным излучением. Следовательно, число возбуждённых атомов с энергией E2 не может превысить числа атомов в основном состоянии E1.