История лазера. Научное издание

Чтобы понять предположение Бломбергена, РІСЃРїРѕРјРЅРёРј, что атомы или РёРѕРЅС‹ СЃ n неспаренными электронами (С‚.Рµ. СЃ противоположными спинами) образуют РІРѕ внешнем магнитном поле n + 1 магнитных уровней, интервал между которыми пропорционален напряженности магнитного поля (аномальный эффект Зеемана, который рассматривался РІ РіР». 4). Теперь давайте рассмотрим вещество, обладающее тремя СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё СЃ неравными интервалами между РЅРёРјРё (СЂРёСЃ. 43). Некоторые парамагнитные РёРѕРЅС‹ имеют такие СѓСЂРѕРІРЅРё РІ подходящих кристаллах. Населенности уровней СЃ энергиями Р•₁, Р•₂ Рё Р•₃ имеют населенности n₁, n₂ Рё n₃ соответственно, Рё РІ условии термического равновесия РјС‹ имеем

n₁ > n₂ > n₃

Рис. 43. Трехуровневая конфигурация парамагнитного материала

При обычных магнитных полях разности энергий между уровнями довольно малы и соответствуют микроволновым частотам. Они также малы по отношению к тепловой энергии атомов, и поэтому эти три населенности мало отличаются друг от друга.

Пусть теперь система подвергается сильному излучению накачки РЅР° частоте f₁₃, которая соответствует разности энергий между уровнем 3 Рё уровнем 1. Такое поле, которое РјС‹ будем называть полем накачки, очевидно, поглощается Рё вызывает переходы между СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё 1 Рё 3. Поскольку первоначально больше атомов находятся РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј СѓСЂРѕРІРЅРµ 1, система будет поглощать энергию, вызывая увеличение населенности СѓСЂРѕРІРЅСЏ 3 Р·Р° счет СѓСЂРѕРІРЅСЏ 1. Ртоговый эффект заключается РІ том, что населенности n₁, Рё n₃ стремятся стать равными СЃ увеличением n₃ Рё уменьшением n₁. РЎ РґСЂСѓРіРѕР№ стороны, населенность n₂ РЅРµ подвержена влиянию этого поля Рё поэтому остается той же самой. Первоначально РѕРЅР° была слегка больше, чем n₃, РЅРѕ затем, РІ результате действия поля накачки, n₃ увеличивается Р·Р° счет n₁ Рё может получиться ситуация, РєРѕРіРґР° n₃ больше, чем n₂ Рё больше, чем n₁. Таким образом, между этими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё возникает инверсная населенность Рё может происходить вынужденный переход РЅР° частоте f₃₂ или f₂₁, соответствующей разностям энергий между СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё 3 Рё 2, или между 2 Рё 1 соответственно. Разумеется, чтобы получить достаточно сильное вынужденное излучение, нужна как можно большая инверсная населенность, Р° так как энергии между СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё очень малы, нужно работать РїСЂРё очень РЅРёР·РєРёС… температурах.

Бломберген математически проанализировал разные процессы, которые происходят, и пришел к заключению, что инверсную населенность можно получить, например, между уровнями 3 и 2, если время, требуемое атомам, чтобы вернуться обратно в основное состояние (так называемое время релаксации), удовлетворяет определенным условиям.