4.2.2. Поглинання і випромінювання атомами квантів енергії. Підсилення лазерного випромінювання

Значення енергії електронів деякого атома можна зобразити діаграмою енергетичних рівнів. Щоб проаналізувати явища випромінювання і поглинання обмежимося спочатку тільки двома рівнями Б1} Е2. При поглинанні кванта

енергії Е ф = Иь1 2= Е2 -Е1 атом(електрон) переходить з рівня Е 1 на більш

високий енергетичний рівень Е 2. Густина населеності N 2 у збудженому стані

зростає. При відсутності зовнішнього збудження електрон сам, спонтанно повертається з збудженого стану Е 2  в основний стан Е 1 . При цьому

випромінюється квант енергії Ни 21 =Е2 -Е 1. Частота випромінювання и2 1 дорівнює частоті поглинання і12. Поряд із самодовільним (спонтанним), під впливом електромагнітного поля (фотона, наприклад) може виникнути індуковане або стимульоване випромінювання. Таке індуковане випромінювання відбувається в напрямку стимулюючого і в фазі з ним. Самодовільне випромінювання переважає коли N1 > N2 (N1 - населеність

основного, незбудженого рівня, N2 - населеність збудженого рівня). Воно статистично розподілене за фазами за напрямками тобто випромінювання некогерентне.

Стимульоване випромінювання переважає, коли досягається інверсна населеність  N2 > N1.  Інверсну населеність можна створити за рахунок

зіткнення атомів(іонів) у газовому розряді шляхом накачки енергії у вигляді світла або безпосередньо електричним струмом.

В оптичному діапазоні для інверсії необхідна принаймні трирівнева система. Така система зображена на рис.4.2. З джерела в систему підкачується енергія у вигляді квантів з енергією Н і31 = Е 3 - Е 1, внаслідок чого зростає

населеність рівня Е 3. Роль верхнього рівня повинна відігравати широка смугапоглинання, що дозволяє використовувати значну частину спектра джерела накачки. Нижче повинен розташовуватися вузький (метастабільний) рівень, час життя якого (час до самодовільного випромінювання) повинен бути досить великий. Крім того, самодовільний перехід з рівня Е 3 на Е 2 заборонений.

Можливий перехід без випромінювання з рівня Е 3 на Е 2. Отже, атоми

можуть повернутися на рівень Е 2 тільки через рівень Е 2. Таким чином

виникає інверсна населеність.