Но как бы ни была велика средняя энергия, приходящаяся на одну частицу, если выделить два каких-то значения энергии, вероятность для частицы принимать состояние с более низким значением энергии, если оно вообще возможно, всегда выше, чем вероятность принимать состояние с более высоким значением. А коли так, то среди возможных уровней энергии более населенными оказываются те, которые характеризуются меньшими значениями энергии. Или, проще говоря, частиц с меньшей энергией всегда больше, чем частиц с большей энергией.
«Ленивость» природы — одно из фундаментальных ее свойств, поэтому с самого начала мы даже не мечтали как-то изменить распределение частиц по энергии. Мы сразу пошли по пути механического разделения, т. е. из общего количества атомов отбирали те, которые в данный момент характеризуются состоянием с высокой энергией. Ну а как быть, если надо построить мазер на твердом теле? Ведь твердое — оно на то и твердое, что его нельзя разделять на отдельные частицы. А закон природы на то и закон, что его нельзя нарушать.
Поступим так. Среди всех возможных для одного какого-нибудь атома уровней энергии выделим два. Уровень 1—это уровень, соответствующий основному состоянию атома, а уровень 2 — возбужденному состоянию. Если долго наблюдать за одним атомом, то рано или поздно можно увидеть, что он переходит в возбужденное состояние. Однако в силу того же закона природы возбужденное состояние не является естественным состоянием атома и независимо от того, есть на то внешняя причина или нет, он возвращается в основное состояние, испустив при этом квант энергии.
Но произойдет это не сразу. Атом находится в возбужденном состоянии довольно долго, конечно, по атомным масштабам, в среднем от Ю-6 до Ю-3 с. Ему надо как бы набраться решимости, перед тем как соскочить вниз. Возбужденные состояния принято называть метастабильными, что в переводе на разговорный язык; означает «вроде как бы устойчивые». Какова бы ни была полная энергия вещества, в любой момент времени определенное число его атомов всегда находится в ме-тастабильном состоянии. Достаточно пролететь мимо такого атома фотону подходящей частоты, происходит вынужденное излучение и вместо одного фотона оказываются два когерентных, или два близнеца.
Приблизились мы хоть на шаг к решению основной задачи создания мазера на твердом теле? С сожалением должны признаться: нет, не приблизились! Независимо от того, являются возбужденные состояния метастабильными или нет, населенность низших энергетических уровней все равно больше, чем населенность верхних, а значит, акты поглощения фотонов преобладают над актами вынужденного излучения.
Не станем, однако, отчаиваться. А если взять схему не с двумя, а с тремя уровнями? Один из уровней — основной (уровень 1), а два остальных (уровни 2 и 3) соответствуют возбужденным состояниям атома, причем уровень 3 характеризуется большей энергией по сравнению с уровнем 2. Предположим, по той или иной причине атом оказался в состоянии 3. Через какой-то промежуток времени он с большой степенью вероятности перейдет в состояние 2. С большой степенью вероятности опять же потому, что, чем меньший энергетический скачок предстоит, тем охотнее он делается.
Состояние 2 — метастабильное состояние. Задержав-жись в нем на какое-то время, атом переходит в основное состояние. А теперь — внимание! На уровне 1 имеется, скажем, N атомов, а на уровне 3 — в миллиард раз меньше, т.е. АМО-9. Подействуем на вещество мощным лучом монохроматического света. Настолько мощным, что общее количество фотонов, пролетающих за ничтожный промежуток времени, во много раз больше, чем общее количество атомов в образце вещества. Энергия каждого фотона равна разности энергий между уровнями 3 и 1. Что произойдет?
В первый момент N атомов, находящихся на уровне 1, поглощают фотоны и оказываются заброшенными на уровень 3, а ЛМО-9 атомов совершают акты вынужденного излучения, добавив свои ЛМ0-9 фотонов к общему световому потоку, и перебираются на уровень 1. Теперь на уровне 3 имеется N атомов, а на уровне 1 — всего N- Ю-9. Неужели удача?
Нет, радоваться рано. Акты поглощения и вынужденного излучения происходят с равной вероятностью. Поэтому в следующий момент N жильцов уровня 3 совершают акты вынужденного излучения и перебираются обратно на уровень 1, а ЛМО9, поглотив фотоны, перебираются на уровень 3. Так происходит до тех пор, пока не устанавливается равновесие (снова равновесие!) и на уровне 3 оказывается столько же атомов, что и на уровне 1. Число атомов, переходящих с уровня 1 на уровень 3 в единицу времени под воздействием светового луча, равно числу атомов, переходящих с уровня 3 на уровень 1 за то же время. Все, что удалось добиться, приложив столь героические усилия, это уравнять населенности уровней 1 и 3. Но равенство населенностей — это еще не инверсия.
