4. Індуковане випромінювання

На вiдмiну вiд спонтанних (самодовiльних) переходiв, якi здiйснюються лише з бiльш високих енергетичних рiвнiв на бiльш низькi, примусовi переходи (переходи пiд дiєю зовнiшнього випромiнювання) можуть з рiвною ймовiр­нiс­тю вiдбуватися як в одному, так i в iншому напрямках (мал. 9.19).

Мал. 9.19. Індуковані переходи молекул між енергетичними рів­нями.	Мал. 9.20. Рівноважна (а) та ін­версна (б) заселеності енерге­тич­них рівнів.

Примусове випромiнювання має досить цінні власти­востi: напрямок його розповсюдження з точнiстю спiвпадає з напрямком розповсюдження зовнiшнього випромiню­вання, яке спонукало випромiнювальний перехiд. Те саме стосується частоти, фази та поляризацiї iндукованого та зовнiшнього випромiнювань. Таким чином, iндуковане ви­про­мiнювання тотожнє зовнiшньому в усiх вiдношеннях.

У 1940 роцi радянський фiзик В.А. Фабрикант запропо­нував використати iндуковане випромiнювання для пiдси­лення електромагнiтних хвиль. Розглянемо суть припущен­ня В.А. Фабриканта детальнiше.

9.4.1. Рівноважна та інверсна заселеність

Як вiдомо, бiльшiсть дослiджуваних нами систем знахо­дить­ся у станi теплової рiвноваги, а це означає, що розподiл атомiв чи молекул за енергетичними станами, або заселе­нiсть енергетичних рiвнiв, пiдлягає закону, який носить назву розподiла Больцмана:

(9.19)

змiст якого досить простий: iз збiльшенням енергiї заселе­нiсть рiвня (кiлькiсть атомiв чи молекул в даному станi) зменшується, тобто, якщо E_m > E_n, то N_m < N_n (мал. 9.20, а). Це є так звана рівноважна заселеність енергетичних рів­нів.

Як вже зазначалось, фотон з енергiєю hv = E_m – E_n з рiвними ймовiрностями буде iндукувати переходи E_n  E_m та E_m  Е_n. Кiлькiсть переходiв мiж рiвнями E_m та E_n пропорцiйна заселеностi вихiдного рiвня. Завдяки тому, що N_n > N_m, поглинання зовнiшнього випромiнювання буде переважати примусове випромiнювання.

Таким чином, зовнiшнє випромiнювання при проход­жен­нi через речовину, що знаходиться у станi теплової рiвноваги, послабляється.

Підсилення зовнішнього випромінювання можна здiйс­ни­ти шляхом створення у речовинi зворотної, по вiдно­шенню до рiвноважної, заселеностi енергетичних рiвнiв, тобто такої, що при E_m > E_n маємо N_m > N_n. Подібна заселе­ность енергетичних рiвнiв зветься інверсною (мал. 20, б). У речовинi з iнверсною заселенiстю енергетичних рiвнiв примусове випромiнювання буде перевищувати поглинан­ня, внаслiдок чого зовнiшнє випромiнювання при проход­жен­ні через речовину буде пiдсилюватись.

Iдея В.А Фабриканта була практично здiйснена в 1954 роцi радянськими фізиками Н.Г. Басовим та А.М. Прохоро­вим i незалежно американським фізиком Таунсом. Ними був вперше створений мазер – генератор радiохвиль в мікрохвильовому дiапазонi. Слово “мазер” є абревіатура виразу “microwave amplification by stimulated emission of radiation”. В 1964 р. за створення мазера Н.Г. Басову, А.М. Про­хорову та Таунсу було присуджено Нобелевську премiю.

В 1960 р. Мейманом (США) був створений перший анало­гiч­ний прилад, який працює вже в оптичному дiапазонi – лазер, або, як його ще називають, оптичний квантовий генератор.