Поглощение и усиление излучения, распространяющегося в среде.

Пусть плоская волна частоты ω соответствует разности энергий Еm-Eк каких-либо двух состояний атомов или молекул среды, распространяется сквозь среду. Поток излучения изменяется в соответствии с законом Бугера, причем коэф‑т поглощения определяется соотношением α₀(ω)=¼λ²a_mn(ω)g_m[N_n/g_n‑N_m/g_m] (*), где a_mn – спектральная плотность коэф‑та Эйнштейна; m и n – энергетические состояния; g_m и g_n – статистические веса состояний m и n; N_m и N_n – заселенности состояний. В результате переходов n в m, сопровождающихся поглощением света, поток уменьшается, в результате перехода m в n вынужденное испускание увеличивает поток. Выражение (*) устанавливает связь между непосредственно измеряемым коэф‑том поглощения и коэф‑тами Эйнштейна. Слагаемые N_n/g_n и N_m/g_m описывают вклады соответственно n→m и m→n, которые выражаются соответственно поглощением и испусканием фотонов. Мощность энергии, выделяемой или поглощаемой единицей среды, выражается следующим образом:

q₀(ω)dω=α₀(ω)I(ω)dω=α₀(ω)CU(ω)dω, I(ω)=CU(ω),

где U(ω) – спектральная плотность потока; I(ω) – спектральная плотность энергии. Волны, испущенные в результате вынужденных переходов, обладают, как показал Эйнштейн, следующими свойствами: их частота, фаза, характер поляризации, направление такие же, как у излучения, вызвавшего переход. Т.о. индуцируемые фотоны неотличимы от фотонов, падающих на атомы. В условиях термодинамического равновесия среды, сквозь которую распространяется излучение N_m/g_m<N_n/g_n (что вытекает из принципа Больцмана) и, следовательно, α₀(ω)>0. Это соответствует поглощению излучения. Если тем или иным образом выполняется условие N_m/g_m>N_n/g_n, то коэф‑т α₀(ω) изменит знак и станет отрицательным. В этом случае плотность энергии, распространяемой в среде, будет возрастать, а не убывать как при термодинамическом равновесии. Т.е. за счет индуцированного изучения в световой поток будет добавляться больше фотонов, чем он теряет на возбуждение атомов при обратном переходе n→m. Соотношение между концентрациями атомов, соответствующих N_m/g_m>N_n/g_n, называется инверсной заселенностью.

Вместо поглощаемой мощности q0(ω) и коэф‑та поглощения α0(ω) целесообразно ввести новое обозначение q(ω)=α(ω)U(ω)c, α(ω)=¼λ²g_ma_mn(ω)∙[N_m/g_m‑N_n/g_n] – коэф‑т испускания.

Среду с инверсной заселенностью энергетических уровней, обеспечивающую усиление распространяющегося в ней излучения, принято называть активной средой. Инверсную заселенность уровней можно образовать в газовом разряде с помощью специальных химических реакций или с помощью оптического возбуждения. Э/м волны, возникающие в результате вынужденных переходов, когерентны с волной, вызывающей эти переходы.

Если поле, взаимодействующее с атомами представляет собой плоскую монохроматическую волну, то и вынужденно испущенные фотоны также образуют плоскую монохроматическую волну с той же частотой поляризации и с тем же направлением распространения. В результате вынужденного испускания изменяется амплитуда подающей волны. Можно утверждать, что вынужденное испускание усиливает, а поглощение ослабляет излучение без изменения основных его характеристик. Для понимания свойств излучения ОКГ полезным оказалось микроскопическое описание, основанное на представлении о когерентности падающей волны и вторичных волн, испускаемых в результате вынужденных переходов.

Условие пространственной синфазности, необходимое для получения мощного направленного излучения от макроскопического источника может осуществляться благодаря процессу вынужденного испускания. Волны, испускаемые атомами, находящимися в различных точках пространства будут синфазно складываться в точке наблюдения, если разность начальных фаз этих волн компенсирует разность хода. Но именно таким и будет положение, если вторичные волны возникают в результате вынужденного испускания под влиянием внешней световой волны: значения фазы этой волны в точках расположения различных атомов z1 и z2 различаются на величину k(z2-z1), где k – волновое число, и вторичные волны окажутся сдвинутыми по начальной фазе относительно друг друга на ту же величину, взятую с обратным знаком, что и необходимо для их синфазного сложения в точке наблюдения.

Помимо когерентного испускания, связанного с вынужденными переходами, атомы среды совершают и самопроизвольные переходы, в результате которых испускаются волны, некогерентные между собой и с внешним полем. Излучение активной среды всегда представляет смесь когерентной и некогерентной частей. Соотношение между этими частями зависит от интенсивности внешнего поля.