Какие уровни вызывают появление когерентного лазерного излучения в квантовом оптическом генераторе (лазере) на рисунке

В квантовом оптическом генераторе (лазере), уровни вызывающие появление когерентного лазерного излучения изображены на рисунке и связаны с переходами электронов между различными энергетическими уровнями атомов или молекул. Чтобы понять, какие уровни приводят к возникновению когерентного излучения, давайте рассмотрим кратко принцип работы лазера.

1. Основное состояние (Ground state): Начнем с самого низкого энергетического уровня, называемый основным состоянием. На этом уровне большинство электронов находятся в покое, имея наименьшую энергию.

2. Возбужденные состояния (Excited states): Путем взаимодействия с электромагнитным излучением или другими стимулами электроны могут перейти на более высокие энергетические уровни - возбужденные состояния. Электроны в возбужденных состояниях имеют большую энергию, чем электроны в основном состоянии.

3. Спонтанное излучение (Spontaneous emission): При переходе электрона из возбужденного состояния на более низкий энергетический уровень происходит спонтанное излучение электромагнитной энергии. Это излучение не когерентно и не направлено, поэтому не используется в лазерных системах.

4. Индуцированное поглощение (Induced absorption): Если на возбужденный электрон попадает фотон с нужной энергией, электрон может поглотить этот фотон и перейти на следующий возбужденный уровень.

5. Индуцированное излучение (Induced emission): Однако, если возбужденный электрон уже находится на более высоком энергетическом уровне, и на него попадает фотон с нужной энергией, то происходит индуцированное излучение. Электрон испускает такой же фотон, делая переход на более низкий энергетический уровень. Это когерентное излучение, имеющее одну волновую длину и в фазе.

Таким образом, для появления когерентного лазерного излучения необходимо, чтобы электроны переходили между уровнями с помощью индуцированного излучения, а не спонтанного излучения. Это достигается путем создания условий, обеспечивающих инверсию заполнения энергетических уровней - то есть большего количества электронов в возбужденных состояниях, чем в основном состоянии. В результате этого, когда возбужденные электроны переходят на более низкие уровни, они стимулируются к испусканию фотонов, вызывая цепную реакцию когерентного излучения с одной волновой длиной.

Надеюсь, что объяснение было полным и понятным.