Населенность уровней

В условиях теплового равновесия большая часть атомов обладает минимумом энергии, населенность верхних уровней меньше населенности нижних. Под влиянием энергетических воздействий (повышение температуры, освещение) возбуждение атомов возрастает и населенность верхних уровней увеличивается, но получить распределение частиц но уровням, при котором населенность верхних уровней больше, чем нижних, таким способом невозможно, так как увеличение населенности верхних уровней способствует увеличению спонтанных переходов на нижний уровень. Атомы могут находиться в возбужденном состоянии 10-8 с.

Чтобы получить когерентное излучение в результате вынужденного испускания, необходимы два условия:

1. Населенность верхних уровней должна быть больше, чем нижних.

2. Один из верхних уровней с состоянием Е2 должен быть метастабильным, т. е, электроны в нем должны находиться не

10-8 с, а порядка 10-5 – 10-3 с. Уровень с состоянием Е2 метастабильный. Если вещество (например, кристалл рубина) длительное время освещать, то произойдет очень плотное заселение метастабильных уровней. При наличии уровня с состоянием Е2 возможны спонтанные переходы из состояния Е3 не только в основное состояние Е1, но и на метастабильный уровень с состоянием Е2

Оба перехода сопровождаются выделением энергии. Большое различие во временах жизни в состояниях Е2 и Е3приводит к тому, что под действием возбуждающих фотонов с энергией атомы переходят в состояние Е3, а затем самопроизвольно – в состояние Е2. Без излучения света (энергия поглощается кристаллом) и происходит накопление атомов на метастабильном уровне с состоянием Е2. Для создания в лазере инверсной населенности используют Al2O3, смесь гелия (15%), неона (85%) и другие вещества. Переход из состояния Е2 в состояние Е3 под действием внешней электромагнитной волны сопровождается излучением, что и используется в лазерах.