Lazerlar va nochiziqli optika

Muhitning hajm birligida yutilgan quvvatni quyidagicha ifodalash mumkin:

(20.2)

bu yerda u() va I() energiyaning va oqimning spektral zichliklari (1 sm³ да).

Agar nurlanish tarqalayotgan muhit termodinamik muvozanatda bo‘lsa, Bolsman prinsipiga muvofiq N_m/g_mn/g_n bo‘ladi va demak, _a(>0) bo‘ladi. Bu hol nurlanishning yutilishiga mos keladi. Agar biror usul yordamida N_m/g_m>N_n/g_n bo‘ladigan sharoitlarni amalga oshirsak, _a() koeffitsiyent o‘z ishorasini o‘zgartirib, manfiy kattalik bo‘lib qoladi. Bu holda muhitda tarqalayotgan energiya oqimining zichligi termodinamik muvozanat holidagi kabi kamaymasdan, balki ortib boradi. Boshqacha aytganda, induksiyalangan nurlanish natijasida yorug‘lik oqimiga qo‘shilgan fotonlarning soni oqimdan teskari (n→m) o‘tishlarda atomlarning uygonish uchun olingan fotonlarning sonidan katta bo‘ladi.

Atomlar konsentratsiyalarining N_m/g_m>N_n/g_n tengsizlikka mos bo‘lgan munosabati m, n energetik sathlarning invers bandligi deyiladi. Energetik sathlari invers bandlikka ega bo‘lgan va o‘zida tarqalayotgan nurlanishni kuchaytiradigan muhit aktiv muhit deb ataladi. Gaz razryadda sathlarning invers bandligini ba’zi ximiyaviy reaksiyalar, optik uyg‘otish va hokazolar yordamida hosil qilish mumkin. Majburiy o‘tishlar natijasida vujudga kelgan elektromagnitik to‘lqinlar bu o‘tishlarga sababchi bo‘lgan to‘lqin bilan kogerent bo‘ladi. Xususan, atomlar bilan o‘zaro ta’sirlashuvi maydon yassi monoxromatik to‘lqin bo‘lsa, u holda majburiy ravishda chiqarilgan fotonlar ham shunday chastota, qutblanish, faza va tarqalish yo‘nalishiga ega bo‘lgan yassi monoxromatik to‘lqinni tashkil qiladi. Majburiy chiqarish (yutish kabi) natijasida faqat tushayotgan to‘lqinning amplitudasi o‘zgaradi.

Yuqorida aytilganlarni majburiy chiqarish nurlanishni uning boshqa xarakteristikalarini o‘zgartirmay kuchaytiradi, majburiy yutish esa susaytiradi degan fikrning boshqacha shaklda aytilgani deb hisoblash mumkin. Lekin optik kvant generatorlari nurlanishning xususiyatlarini tushunish uchun tushayotgan to‘lqin bilan majburiy o‘tishlar natijasida chiqarilayotgan «ikkilamchi» to‘lqinlarning kogerentligi to‘g‘risidagi tasavvurlarga asoslansak manbadan ma’lum bir yo‘nalishda tarqaluvchi quvvatli nurlanish olish uchun zarur bo‘lgan fazoviy sinfazlik shartini majburiy chiqarish jarayonida amalga oshirish mumkinligi ko‘rinadi. Haqiqatdan ham, fazoning har xil nuqtalarida joylashgan atomlar chiqarayotgan to‘lqinlarning boshlang‘ich fazalari mos yo‘l farqini kompensatsiyalaydigan bo‘lsa, bunday to‘lqinlar kuzatish nuqtasida sinfazali ravishda qo‘shiladi.