1. Условия усиления и генерации колебаний в квантовых системах

условия усиления

чтобы вещество усиливало распространяющуюся в нем волну частоты v, необходимо, чтобы, во-первых, частицы веще­ства имели, по крайней мере, два уровня энергии E₁ и E₂, разделен­ных «расстоянием», hv = E₂ - E₁ и, во-вторых, чтобы число частиц N₂, находящихся в состоянии с большей энергией E₂, было больше числа частиц N₁ на уровне E₁i. Эти условия необходимы, но недоста­точны. В реальных веществах всегда имеются причины дополни­тельного ослабления волны, не связанные с переходами между ра­бочими уровнями E₁ и E₂. К ослаблению волны, или к потерям электромагнитной энергии, приводит, например, ее рассеяние в стороны на неоднородностях кристаллов. Кроме того, в веществе могут иметься другие пары уровней энергии, удовлетворяющие усло­вию hv = E_m – E_n, но не обладающие инверсией населенностей. Такие причины ослабления приводят к уменьшению интенсивности волны в е^-z раз, где  характеризует дополнительные потери в ве­ществе, не связанные с данным переходом. В результате суммарная интенсивность волны I изменяется с расстоянием z no закону:

(3.3)

Отсюда вытекает третье условие квантового усиления: вынуж­денное излучение активных атомов должно с избытком компенсиро­вать потери электромагнитной энергии в веществе, т. е. а должно быть больше, чем .

Условия генерации

положительная обратная связь является необходимым элементом генераторов автоколебаний. Рассмотрим, как осуществляется обратная связь в квантовой электронике. В квантовых генераторах света (лазерах) для создания обратной связи рабочее вещество (например, кристалл рубина) помещают между двумя параллельными зеркалами, отстоящими друг от друга на расстоянии L. Свет, пройдя через вещество, уси­ливается в раз; затем, отразившись от зеркала, снова проходит через вещество и усиливается еще в раз и т. д. Если зеркала достаточно хороши, т. е. не поглощают свет, а полностью его отра­жают, то в результате многократного пробега волны через активное вещество усиление может достигнуть сколь угодно больших значений. Поэтому, если даже на такой уси­литель не подается извне никаких сигналов, его собственное случайное излучение (неизбежное из-за спонтанных переходов) уси­лится за счет вынужденных переходов, в результате чего усилитель превратится в генератор света.

Конечно, мощность излучения не может при этом возрастать неограниченно. Каждый вынужденный переход «вниз» уменьшает число активных атомов. Перейдя вниз, атомы начинают поглощать излучение и, если не восстанавливать непрерывно каким-либо способом избыток атомов на верхнем уровне, наступит насыщение — выравнивание населенностей уровней (равенство поглощения и вы­нужденного испускания). При насыщении инверсия населенностей исчезает, а значит, и прекращается усиление. Поэтому, чем больше усиление, т. е. мощность вынужденного излучения, тем более мощным должен быть источник, поддерживающий инверсию населенностей в рабо­чем веществе. Т. о., непосредственной причиной, ограничивающей нарастание электромагнитного поля между зеркалами, т. е. огра­ничивающей коэффициент усиления квантового усилителя и амплитуду колебаний квантового генератора, является насыщение.