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.
Зачем понадобилось тратить так много слов? Вот зачем. Не все жильцы уровня 3 обязательно совершают вынужденные переходы на уровень 1. Часть из них самопроизвольно (спонтанно) перескакивает на уровень 2. Находясь на уровне 2, они не испытывают никакого воздействия со стороны светового луча, каким бы мощным он ни был. Фотон переводит атом в другое состояние при условии, что его энергия равна разности энергий двух состояний, в нашем случае разности между уровнями 3 и 1. На уровне 2 атомы находятся в мета-стабильном состоянии и через определенные промежутки времени, которые зависят только от самих атомов, также спонтанно переходят на уровень 1.
Все зависит от того, что делают атомы более охотно, т. е. с большей вероятностью. Если они охотнее переходят с уровня 3 на уровень 2 (по сравнению с переходами с уровня 2 на уровень 1, то на уровне 2 постепенно накапливается больше атомов, чем на уровне 1. Населенности уровней 1 и 3 все время, пока действует световой луч, равны друг другу, а население уровня 2 — это атомы, ушедшие с уровня 3. Возможен случай, когда с большей вероятностью совершаются переходы с уровня 2 на уровень 1 (по сравнению с переходами с уровня 3 на уровень 2). Тогда население уровня 3 постепенно превысит население уровня 2.
Вот она, долгожданная инверсия населенностей! Пока действует световой луч, либо население уровня 2 преобладает над населением уровня 1 (чаще всего так и бывает), либо население уровня 3 преобладает над населением уровня 2. Переходы с уровня 3 на уровень 2 или с уровня 2 на уровень 1 никак не зависят от того, что происходит между уровнями 3 и 1. Эти переходы совершаются спонтанно.
Но может быть и иначе. При спонтанном переходе, например, с уровня 2 на уровень 1 излучается фотон, который вызывает вынужденное излучение другого жильца уровня 2. Два когерентных фотона вынудят еще двух жильцов уровня 2 излучить фотоны и т. д. Получается цепочка: освещаем вещество, например, зеленым светом (с большой энергией фотонов) и за счет этого поддерживаем равенство населенностей уровней 1 и 3. За счет спонтанных переходов поддерживается населенность уровня 2, которая в нашем примере превышает населенности уровней 1 и 3. Образуется активное вещество, которое при определенных условиях излучает когерентный световой луч теперь уже красного цвета (с меньшей энергией фотонов). Если излучается именно свет, а не радиоволны, то такой прибор называется не мазером, а лазером, что означает опять же первые буквы английских слов «усиление света (по-английски «свет» произносится как «лайт», отсюда буква «л») за счет вынужденного излучения».