ИНВЕРСНАЯ ЗАСЕЛЕННОСТЬ УРОВНЕЙ

В состоянии термодинамического равновесия, (то есть в том случае, когда среднее число атомов, переходящих из одного состояния в другое за единицу времени равно числу обратных переходов) количество атомов в том или ином состоянии не меняется: атомы системы распределены по состояниям в соответствии с законом Больцмана, то есть

~ . (3.7)

Из соотношения (3.7) следует, что при Т = const, чем больше энергия W_i состояния, тем меньше число атомов N_i находится в этом состоянии.

Для состояний W₁ и W₂ можно записать

. (3.8)

Таким образом, поскольку W₂ > W₁ , то , то есть N₂ < N₁, при любой Т>0. Значит, в состоянии термодинамического равновесия поглощение будет преобладать над вынужденными излучениями. Для того, чтобы преобладающими стали процессы вынужденного излучения, нужно перевести систему атомов в такое неравновесное состояние, чтобы число возбужденных атомов N₂ оказалось больше числа атомов N₁ в нормальном состоянии. Такая заселенность уровней называется инверсной (обращенной): N₂> N₁ .

Если воспользоваться соотношением (3.8), то в случае инверсной заселенности необходимо допустить, что Т<0. Вследствие этого среду с инверсной заселенностью формально можно считать средой с отрицательной абсолютной температурой.

Процесс перевода вещества в состояние инверсии называют накачкой. Существует несколько способов накачки: оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др. Среда, в которой возможно создание и поддержание инверсной заселенности, называется активной средой. Такая среда, как будет показано ниже, обладает отрицательным коэффициентом поглощения света, то есть, способна усиливать свет частоты w₂₁=(W₂-W₁) / .