Рассмотрим задачу о том, каким образом в данной среде получить инверсию населённостей. Поскольку при термодинамическом равновесии уровень 1 заселён больше, чем уровень 2, поглощение преобладает над вынужденным излучением, т.е. под действием падающей волны происходит больше переходов 1®2, чем переходов 2®1. Когда наступят условия, при которых населённости уровней окажутся одинаковыми (N2 = N1), процессы вынужденного излучения и поглощения начнут компенсировать друг друга и в соответствии с (2.7) среда станет прозрачной. В такой ситуации обычно говорят о двухуровневом насыщении.

Таким образом, используя только два уровня, невозможно получить инверсию населённостей.

 

Подпись: Рис. 2.3. Схема лазера. а) трехуровневая схема лазера; б) четырехуровневая схема лазера.
Рис. 2.10. Трехуровневая (а) и четырехуровневая (б) схемы лазера

 

В трёхуровневом лазере (рис. 2.10а) атомы каким-либо способом переводятся с основного уровня 1 на уровень 3. Если выбрана среда, в которой атом, оказавшийся в возбуждённом состоянии на уровне 3, быстро переходит на уровень 2, то в такой среде можно получить инверсию населённостей между уровнями 2 и 1. В четырёхуровневом лазере (рис. 2.10б) атомы также переводятся с основного уровня (для удобства будем называть его нулевым) на уровень 3. Если после этого атомы быстро переходят на уровень 2, то между уровнями 2 и 1 может быть получена инверсия населённостей.

Процесс, под действием которого атомы переводятся с уровня 1 на уровень 3 (в трёхуровневой схеме лазера) или с уровня 0 на уровень 3 (в четырёхуровневой схеме), называется накачкой.

Имеется несколько способов, с помощью которых можно реализовать этот процесс на практике, например при помощи некоторых видов ламп, дающих достаточно интенсивную световую волну, или посредством электрического разряда в активной среде.

Если верхний уровень накачки пуст, то скорость, с которой верхний лазерный уровень 2 станет заселяться с помощью нaкачки , в общем случае можно записать в виде

,                                           (2.10)

здесь Ng – населённость основного уровня (т.е. уровня 1 или 0 соответственно на рис. 2.10а и б), a Wp – коэффициент, который будем называть скоростью накачки. Для того чтобы достигнуть пороговых условий, скорость накачки должна превысить некоторое пороговое или критическое значение, которое мы будем обозначать как Wкр.