Краткая теория исследуемого явления. Рассмотрим систему атомов, которые могут находиться в двух состояниях с разными энергиями Е1 и Е2

Рассмотрим систему атомов, которые могут находиться в двух состояниях с разными энергиями Е ₁ и Е ₂. В такой системе возможны два типа переходов. Переход электронов из нижнего состояния в верхнее требует энергии Е = Е ₂ – Е ₁ (рис. 1, а). Такой переход может произойти только, если атом в результате взаимодействия с другой частицей получит необходимую энергию. Этот процесс называется поглощением.

Рис.1.

Переход из верхнего состояния в нижнее не требует затраты энергии. Он может произойти двумя способами: а) самопроизвольно (спонтанно), при этом освободившаяся энергия выделяется в виде фотона (рис. 1, б); вынужденно, т.е. в результате столкновения с другой частицей (фотоном, электроном и др.), при этом энергия либо выделяется в виде фотона, либо переходит в энергию частицы, участвовавшей в столкновении (рис. 1, в).

Для того, чтобы вынужденный переход произошел под действием фотона, частота этого фотона должна удовлетворять резонансному условию:

h =Е₂ – Е_1.

В результате такого стимулированного перехода выделяется второй фотон, неотличимый от первого, т.е. с той же частотой, с той же фазой, с тем же направлением движения и той же поляризацией. Это явление можно использовать для усиления электромагнитного излучения.

При тепловом равновесии число атомов газа N _1, имеющих меньшее значение энергии Е ₁ (N₁ называют населенностью уровня Е₁), всегда больше, чем число атомов N ₂, имеющих большую Е ₂.

Рассматривая условия равновесия квантовой системы с полем излучения, Эйнштейн установил, что вероятности стимулированных переходов и равны. При тепловом равновесии всегда N ₂ < N ₁. Следовательно, газ в состоянии теплового равновесия сильнее поглощает свет, чем усиливает его. При прохождении направленного луча через среду, находящуюся в состоянии теплового равновесия, интенсивность света убывает по закону , где х – путь, пройденный светом в среде, – коэффициент поглощения света данной частоты.

Чтобы заставить среду усиливать свет, нужно создать такое распределение атомов по состояниям, при котором N ₂ > N ₁. Такую среду называют средой с инверсной (обратной) населенностью уровней или активной средой.

Если через среду с инверсной населенностью уровней Е_n и Е_m проходит свет частотой

, (1)

то он будет усиливаться по закону

I = I₀ e ^{a x}, (2)

где a – коэффициент усиления. Достижимый коэффициент квантового усиления имеет порядок м^-1.

Прибор, в котором реализуется эффект усиления света, называется лазером или оптическим квантовым генератором (ОКГ).