4.3 Столкновительное уширение.

Вследствие теплового движения частиц в ансамбле между ними происходят столкновения, приводящие к дополнительному уменьшению времени жизни верхнего уровня, что в свою очередь вызывает дополнительное уширение спектральной линии по механизму, аналогичному естественному уширению. Форма контура линии, таким образом, остается Лоренцевой:

С той разницей, что вместо будет , где - время релаксации.

4.4 Уширение за счет внешних и внутренних электрических и магнитных полей.

В основе данного механизма лежат эффект Зеемана (расщепление спектральной линии в магнитном поле) и эффект Штарка (расщепление спектральной линии в электрическом поле). Если расщепление линии вследствие этих механизмов меньше ширины самой линии, вместо расщеплениz получается уширение этой линии.

Уширение спектральной линии может быть однородным и неоднородным. В случае однородного уширения линии каждого атома и системы в целом уширяются одинаково, уширение называется неоднородным, если резонансные частоты отдельных атомов не совпадают, а распределяются в некоторой полосе частот, приводя к уширению линии системы значительно большему, чем уширение линий отдельных атомов. К однородному уширению относят естественное и столкновительное уширение, а к неоднородному – Доплеровское.В случае однородного уширения линия имеет Лоренцеву форму, а в случае неоднородного – Гауссову.

5. Усиление электромагнитного излучения.

Известно, что при индуцированном излучении квантовой системы получается фотон с параметрами тождественными параметрам вынуждающего фотона. Этот процесс ложится в основу усиления ЭМВ.

5.1 Двухуровневая система.

Рассмотрим прохождение плоской волны через среду, в единице объема которой N₁атомов находится в состоянии E₁ и N₂ – в состоянииE₂.

При этом энергия кванта равна энергии перехода = Е₂ - Е₁. Определим изменение интенсивности волны, прошедший через слой веществтолщинойdz. Количество поглощенных квантов составляет

,

количество квантов испущенных за счет индуцированного излучения составит

Сечение слоя в плоскости перпендикулярной для простоты примем равной единице. Вкладом спонтанного излучения в волну пренебрежём, поскольку оно ненаправленное и некогерентное.

Где n-показатель преломления вещества, – форма спектральной линии.

Если учестьстатистические веса уровней, т.е. что q₁B₁₂= q₂B₂₁,То уравнение будет иметь вид

Из формулы видно, что при различном соотношении q₁B₁₂и q₂B₂₁ возможны три различных варианта изменения интенсивности:

1. N₁/q₁>N₂/ q₂- поглощение веществом энергии из волны;

2. N₁/q₁<N₂/ q₂- усиление волны в веществе;

3. N₁/q₁= N₂/ q₂- просветление вещества.

Обозначим

Тогда получаем соотношение

а в интегральном виде оно приобретает вид закона Бугера:

5.2 Отрицательная абсолютная температура.

Пусть система находится в состоянии термодинамического равновесия, в этом случае для любой температуры заселенность энергетических уровней описывается распределением Больцмана:

Из которого напрямую следует, что

Таким образом, инверсная населенность формально соответствует отрицательной абсолютной температуре электронной подсистемы. Это означает, что инверсная населенность не может существовать в состоянии теплового равновесия, т.е. является состоянием неравновесным.

Соответственно, даже созданная инверсная населенность может существовать только очень ограниченное время и самопроизвольно релаксирует. Время релаксации, в зависимости от особенностей системы, может колебаться от долей наносекунд до нескольких миллисекунд.