Населенность и инверсия населенности

Для количественной оценки лазерного усиления вводят понятие населенности уровня энергии, под которой понимают число атомов в единице объема, имеющих одинаковое энергетическое состояние. В условиях термодинамического равновесия населенность энергетических уровней подчиняется статистике Больцмана:

(5.22)

где N₂ — населенность возбужденными атомами (в состоянии ); N₁ — населенность невозбужденными атомами (в состоянии ). При этом

(5.23)

отрицательна, и в веществе имеем нормальную населенность, когда концентрация возбужденных атомов меньше концентрации невозбужденных. При этом условии вещество находится в равновесном состоянии. Лазерное усиление невозможно.

Когда , что обеспечивается воздействием энергии накачки, происходит инверсия населенностей и проходящее излучение может усиливаться за счет энергии возбужденных атомов. Формально из выражения (5.23) следует, что условие выполняется при абсолютной отрицательной температуре (). Поэтому состояние инверсии населенностей иногда называют состоянием с отрицательной температурой. Среда, в которой осуществлена инверсия населенностей, называется активной средой.

Таким образом, усиление вынужденного излучения или лазерное усиление требует, во-первых, инверсии населенностей () и, во-вторых, подавления спонтанного излучения (светового шума). Наименьший уровень энергии накачки, при котором выполняется условие инверсии, называется порогом инверсии.