Схеми відкачки; Бенджамін Кляйн
Як ми бачили із Закону Біра, для того, щоб мати місце оптичне посилення, ми повинні мати щільність атомів у верхньому енергетичному стані (g_2/g_1) N_1 'title =' N_2> (g_2/g_1) N_1 '/>, або якщо виродження дорівнюють одиниці, просто N_1 'title =' N_2> N_1 '/>. Як зазначалося раніше, це називається інверсія. Інверсія вимагає накачування - впорскування енергії в атоми. Ця накачка могла приймати різні форми. У газових лазерах електричний розряд є загальним механізмом накачування. Також є можливість прокачувати світло (оптичне поглинання); однак, якщо ми накачуємо світло, крім цього повинен бути принаймні ще один атомний енергетичний стан і змусити його працювати. Чому?
Уявіть, у нас є колекція атомів, які всі спочатку знаходяться в нижчому енергетичному стані. Для простоти візьміть. Спробуємо перекачати атоми у верхній енергетичний стан, використовуючи джерело світла, частота якого. Спочатку це буде працювати нормально - все надходить світло буде поглинатися атомами в стані 1, а ці атоми будуть підвищені до стану 2. Однак, оскільки щільність атомів у стані 2 зростає, з часом ми досягнемо точки, де У цей момент вхідний фотон з однаковою ймовірністю поглинеться або спричинить стимульоване випромінювання. Отже, світло не зможе проштовхнутися вище, принаймні в стійкому стані. Якщо нам ненадовго вдасться отримати N_1 'title =' N_2> N_1 '/>, стимульоване випромінювання буде домінувати над поглинанням і буде знижуватися назад.
Отже, ми повинні ввести в наш розгляд третій енергетичний стан. Ми могли перекачувати атоми від до, як показано на схемі нижче. Було б розумно вибрати набір станів, для яких відбувається швидкий процес релаксації, який швидко переводить атоми зі стану в. Таким чином, завжди буде близько до нуля, і накачувати фотони, частота яких завжди буде поглинатися. У той же час ми хотіли б, щоб атоми довго затримувались у стані (так званий «метастабільний» стан). Якщо ми задовольняємо ці умови, ми можемо збільшувати, поки воно не буде більшим, ніж використання насоса від до. Отримавши N_1 'title =' N_2> N_1 '/>, ми досягли інверсії і, отже, посилення для фотонів, частота яких .