Мазеры и лазеры (от англ. microwave amplification by stimulated emission of radiation и light amplification by stimulated emission of radiation соответственно) основаны на явлении, называемом «стимулированное излучение». Основной принцип работы этих устройств заключается в создании условий для инверсии населений молекул в excited state (возбужденном состоянии) и ground state (основном состоянии).

Вот основные принципы работы мазеров и лазеров:

1. Инверсия населения

Инверсия населения — это процесс, при котором количество молекул в возбужденном состоянии (E2) превышает количество молекул в основном состоянии (E1). Это является ключевым требованием для работы как мазеров, так и лазеров.

Пример:

Рассмотрим молекулы газов, таких как молекулы аммиака, которые используются в мазерах. После того, как молекулы газа облучаются внешним источником энергии (например, радиочастотным полем), происходит переход молекул из основного состояния в возбужденное. Если количество молекул в возбужденном состоянии становится больше, чем в основном, то возникает инверсия населения.

2. Стимулированное излучение

Когда возбужденная молекула взаимодействует с фотоном (квантом света) подходящей энергии (то есть энергии, совпадающей с разностью энергий между двумя состояниями), существует вероятность, что молекула вернётся в основное состояние, испуская при этом дополнительный фотон.

Характерные особенности:Этот излучаемый фотон будет иметь ту же частоту, направление и фазу, что и первоначальный фотон, что приводит к усилению светового потока.Процесс может повторяться многократно благодаря инверсии населения, что создает эффект «лавинного» излучения.3. Резонатор

Для создания устойчивого и мощного лазерного или мазерного излучения используется оптический резонатор (для лазеров) или микроволновый резонатор (для мазеров). Этот резонатор позволяет фотонам многократно проходить через активную среду, где находятся молекулы с инверсией населения, тем самым усиливая свет и достигая необходимой мощности.

4. Выходное излучение

После накопления достаточной энергии в резонаторе часть света выходит наружу через полупрозрачное зеркало (в случае лазера) или через антенну (в случае мазера), создавая когерентное излучение, которое можно использовать в различных приложениях: от телекоммуникаций до медицины.

Таким образом, принципы работы мазеров и лазеров включают взаимодействие молекул, инверсию населения и стимулированное излучение, что позволяет достичь высокоэффективного и когерентного источника света или радиоволн.