Таким образом, для создания инверсии населенностей необходимо дополнительное внешнее воздействие, которое преодолевает процессы, направленные на восстановление равновесной разности населенностей.

1.8.Усиленное спонтанное излучение

Вреальной ситуации атом находится в окружении других атомов, часть которых находится в основном состоянии, а остальные в возбужденном состоянии. Переход атома из возбужденного состояния в основное состояние обусловлен как спонтанным, так и вынужденным процессами. При этом возможны возникновения следующих явлений, а именно: 1) захват излучения; 2) сверхизлучение и суперлюминесценции; 3) усиленное спонтанное излучение.

1. Захват излучения: если активная среда является оптически однородной и доля атомов, находящаяся на верхнем уровне мала, то спонтанно испущенный фотон может быть поглощен другим атомом, который, в свою очередь, переходит в возбужденное состояние. Этот процесс уменьшает вероятность спонтанного излучения.

2. Если в активной среде создана инверсия населенностей, то излучение одного атома может влиять на излучение других атомов. Данный процесс, при определенных условиях, приводит к явлениям сверхизлучения

исуперлюминесценции.

3. Если инверсия населенностей в активной среде достигается критического значения, то в пределах телесного угла K вокруг оси активной среды наблюдается интенсивное излучение, называемое усиленное спонтанное излучение (УСИ). УСИ становится преобладающим механизмом лазерных систем, когда удельная мощность излучения

P/A = hυ0/σoτ

(1.26)

становится сравнимой с интенсивностью насыщения Is0 перехода на центральной частоте, определяемой из соотношения (1.25). В уравнении (1.26) σ0 – пиковое сечение перехода; τ – время спонтанного излучения; A = πD2/4 – площадь поперечного сечения активной среды; P – мощность излучения лазера;

20

P = (	hυ0	)	AΩ		[exp(σ0 N2l) − 1]3/2		,	(1.27)
	σ0τ				[σ0 N2l exp(σ0 N2l)]1/2
		4
где υ0 – частота лазерного перехода;						N2 – инверсия населенностей лазер-
ного перехода; K – телесный угол; l –						длина активного элемента.

Основным преимуществом УСИ является то, что его можно использовать для получения узконаправленного лазерного излучения с высоким усилением.

21