Методы инверсии населенностей квантовых уровней

Одной из центральных проблем квантовой электроники является проблема получения состояния вещества с инверсией населенностей квантовых уровней.

Методы накачки подразделяются на следующие:

1) Метод вспомогательного излучения.

Используется как в радиочастотном (мазеры), так и в оптическом диапазонах (твердотельные лазеры). В последнем случае метод называется оптической накачкой.

2) Электрическая накачка.

Осуществляется посредством достаточно интенсивного электрического разряда (постоянный ток или высокочастотный разряд) в рабочей среде (газовые лазеры).

3) Инжекция носителей тока через p-n переход в полупроводнике при пропускании электрического тока в прямом направлении (создается неравномерное распределение носителей в зоне проводимости и в валентной зоне).

Существуют и другие методы накачки, как, например, химическая, газодинамическая, находящие применение в соответствующих лазерах.

Наряду с понятием инверсии населенностей уровней в квантовой электронике используют также понятиеотрицательной температуры, которое может быть введено в рамках двухуровневой квантовой системы.

Из формулы определяющей отношение населенностей квантовых уровней в условиях термодинамического равновесия , определим абсолютную температуру (1.66)

Анализ знака Т в зависимости от величины N₁/N₂ представлен на рисунке (для четырех электронов, обозначенных кружочками).

Как видно из рисунка, при изменении температуры от Т=+0 доТ=-0 через Т=±∞ происходит переход частиц (электронов) с нижнего уровня на верхний до полной инверсии (от четырех частиц на нижнем уровне при пустом верхнем, до четырех частиц на верхнем уровне при пустом нижнем). Таким образом, при инверсии населенностей уровней (правая часть рисунка) системе можно приписать отрицательную температуру (Т<0)

Термины “отрицательная температура” и “инверсия населенностей” эквивалентны и выражают одно и то же содержание: населенность верхнего из двух рассматриваемых уровней больше, чем нижнего.

Следует отметить, что названия ”температура среды (образца)” и ”отрицательная температура” совершенно разные понятия.