Неравновесное состояние. Инверсия населенности уровней

Термодинамическое равновесие. Нормальная населенность уровней.

В любой системе, предоставленной самой себе, при любой температуре устанавливается термодинамическое равновесие. Распределение атомов системы по энергетическим уровням подчиняется при этом распределению Больцмана:

,

где - общее число атомов, - число атомов с энергией .

С увеличением энергии число атомов, обладающих этой энергией, убывает, если .

Рис.3.

Это нормальная заселенность уровней. Чтобы создать индуцированное излучение, нужно чтобы в состояниях с большей энергией было больше атомов.

Рис.4.

Пусть удалось создать ситуацию, когда на более высоких энергетических уровнях находится больше атомов. Если записать распределение Больцмана для этого случая, то формально это соответствует .

Рис.5.

, , отсюда .

Но отрицательная температура не имеет физического смысла. Следует учесть, что понятие температуры вводится для равновесных состояний. Состояние с - неравновесное. Его можно реализовать искусственно. Заселенность уровней в этом случае инверсное (обращенное) (то есть на верхнем уровне концентрация атомов больше, чем на нижнем). Процесс перевода среды в инверсное состояние называется накачкой усиливающей среды. Накачка может в основном осуществятся двумя способами:

1. используется излучение мощного источника света
2. электрический разряд

Для создания инверсной заселенности уровней используют трех или четырехуровневую систему. Система с двумя уровнями непригодна. Покажем это.

Рис.6.

Облучая мощным источником света, атомы переводят из состояния 1 в 2. Когда населенность уровней станет одинаковой, процессы излучения и поглощения будут компенсировать друг друга.

, , отсюда .

Среда будет прозрачной. Интенсивность света до и после среды будет одинаковой.

Итак, основными элементами лазера будут:

1. активное вещество, где можно создать инверсную заселенность
2. источник накачки (оптический способ, электрический разряд)
3. резонатор

Дата добавления: 2013-12-11