Вынужденное излучение

До настоящего времени мы рассматриваем процессы излучения электромагнитной энергии квантовыми системами (атомами, молеку­лами, ионами) при переходе на более низкий энергетический уро­вень, совершающийся самопроизвольно (спонтанно), то есть без внешнего воздействия. Спонтанным излучением, например, являет­ся тепловое излучение. Возможен однако и такой процесс, при котором возбужденные атомы (молекулы, ионы) излучают не само­произвольно, а под влиянием внешнего электромагнитного поля, в частности под действием падающего на них света. Этот процесс и само излучение называют индуцированным или вынужденным излу­чением. Понятие о нем впервые ввел А. Эйнштейн, разрабатывая тео­рию излучения. Для объяснения теплового равновесия в системах многих частиц, излучающих и поглощающих электромагнитную энер­гию, необходимо предположить существование вынужденного излуче­ния (наряду со спонтанным). Вынужденное излучение обладает за­мечательным свойством: оно неотличимо от вынуждающего (падающе­го на вещество, первичного) излучения, то есть совпадает с ним по частоте, фазе, поляризации и направлению. Иначе говоря, вы­нужденное излучение добавляет впервичное электромагнитное излучение точно такие же кванты, какие отнимает от последнего поглощение. Тогда закон Бугера, полученный для поглощения све­та, может быть записан для вынужденного, излучения в виде

 

J = J₀ e^ad.

Возможность создания новой системы (среды с отрицательным поглощением), усиливающей проходящее через нее электромагнит­ное

излучение, была обоснована в 1939 году В. А. Фабрикантом.

Из выражения для коэффициента поглощения

a = B₁₂ N₁ ( 1 - ),

где n – частота излучения, h – постоянная Планка, B₁₂ – коэф­фициент Эйнштейна, g₁ и g₂ – статистические веса, N₁ и N₂ – насе­ленность уровней можно сделать заключение, что для усиления ве­ществом про-ходящего через него первичного электромагнитного излучения необходимо, чтобы из двух энергетических уровней (ве­щества) верхний уровень-2 был населен больше нижнего – 1, N₂ > N₁. В обычных условиях термодинамического равновесия N₁> N₂. Состояние вещества, при котором N₂ > N₁, является неравновесным и называется инверсным. Оно может быть получе­но при особых условиях.