Эффект квантового усиления.

Эффект квантового усиления.

Установим закон измерения интенсивности монохроматического излучения, проходящего через вещество, содержащее в единице объема N двухуровневых атомов. Выделим в этом веществе бесконечно тонкий слой толщиной dx с площадью поперечного сечения 1 см² (рис.7). В нем содержится N₁dx атомов в состоянии Е₁ и N₂dx состоянии Е₂. В единицу времени совершается W₁₂N₁dx переходов с поглощением и W₂₁N₂dx переходов с излучением фотонов. С учетом (16)-(18) изменение d интенсивности светового потока при прохождении этого слоя равно:

(20)

Если принять, что в процессе прохождения света плотности населенностей N₁ и N₂ поддерживаются постоянными, то уравнение (20) легко интегрируется методом разделения переменных:

(21)

Здесь величина

(22)

называется плотностью инверсной населенности. Из формул (20)-(22) видно, что в обычных условиях, когда в силу закона Больцмана (II) величина , показатель степени в экспоненте (21) отрицателен, поскольку . Это означает, что интенсивность света, проходящего через вещество, уменьшается.

Соответственно иная ситуация возникает, если в среде искусственно создаются такие условия, что . В этом случае и среда приобретает необычную способность усиливать проходящий через нее сет. О ситуации с говорят, что имеет место инверсия (т.е. обращение, переворачивание) населенностей. Данному состоянию соответствуют в (II) отрицательная температура.

Среду, способную усиливать свет, называют активной. Величина [см^-1] называется показателем усиления среды.