Модель 6
У квантовій системі із двома виділеними рівнями при взаємодії з випромінюванням можуть відбуватися різні процеси.
Поглинання кванта світла. У цьому випадку система переходить із нижнього енергетичного рівня на верхній.
Спонтанне випромінювання при мимовільному переході з верхнього рівня на нижній. Спонтанне випромінювання різних атомів не узгоджено (некогерентно) по фазах і відбувається у різних напрямах.
Частоти поглинаються або мимоволі випускаються квантів визначаються різницею енергій двох рівнів.
Вимушене чи індуковане випромінювання з верхнього рівня на нижній. Цей процес, передбачений А. Ейнштейном (1916), є фізичною основою роботи лазера. При вимушеному випромінюванні в результаті взаємодії атома з фотоном виходять два абсолютно однакових (когерентних) фотона-близнюки, що поширюються в тому самому напрямку і мають з точки зору хвильової теорії одну і ту ж частоту, фазу і поляризацію.
Усі три види процесів відбуваються у дворівневому середовищі при проходженні через неї зовнішнього (резонансного) пучка світла. Інтенсивність такого пучка навіть слабшатиме, оскільки частина атомів, що знаходяться у верхньому енергетичному стані віддає свою енергію і переходить у нижній стан без випромінювання фотона (наприклад, внаслідок непружних зіткнень з іншими атомами). Для того, щоб пучок, що проходить через середовище, посилювався, потрібно включити ще один процес - накачування, тобто примусове перекидання атомів у верхній енергетичний стан за рахунок зовнішніх джерел енергії. Існує кілька різних механізмів накачування, але ці механізми виявляються неможливими у дворівневої системі . Накачування проводиться через третій вище розташований енергетичний рівень. Накачуваннямає перевести дворівневе середовище у стан, у якому кількість атомів на верхньому рівні перевищує кількість атомів на нижньому. Такий стан середовища називається станом з інверсною населеністю рівнів, а саме середовище називається активним.
Якщо через середовище з інверсною населеністю рівнів проходить зовнішній пучок світла, його інтенсивність зростає з допомогою процесу індукованого випромінювання. Щоб виникла мимовільна генерація світла (лазер), потрібно активне середовище помістити між двома паралельними дзеркалами з високим коефіцієнтом відбиття. Тоді випромінювання, що посилюється при кожному проході через активне середовище, буде багаторазово після відбиття від дзеркал проходити через середовище, викликаючи лавину індукованих фотонів.
Так з'являється лазерна генерація.
Комп'ютерна програма представляє модель різних квантових процесів, що виникають при поширенні резонансного світлового пучка в квантовій системі з двома енергетичними рівнями: поглинання фотонів, спонтанне та стимульоване випромінювання. Програма дозволяє розділити ці три види процесів та спостерігати їх окремо. Крім того, програма дозволяє познайомитися з процесом примусового «накачування», коли за рахунок деякого механізму відбувається безперервне перекидання атомних систем з нижнього до верхнього енергетичного стану. Накачування дозволяє створити середовищі інверсну населеність рівнів, коли число атомів на верхньому рівні перевищує число атомів на нижньому рівні. Створення середовища з інверсною населеністю рівнів є необхідною умовою для роботи лазера. У комп'ютерній моделі механізм накачування не визначено, але рівень накачування, тобто швидкість перекидання атомів у верхній стан, може змінюватися. Рівень накачування P виражається у деяких умовних одиницях.
Приодночасної дії всіх механізмів, включаючи накачування, виникає середовище, здатне посилювати світло резонансної частоти - лазерний підсилювач. Середнє відношення числа фотонів, що надійшли на вхід підсилювача, до фотонів, що з'явилися на його виході, дорівнює енергетичному коефіцієнту посилення.
Комп'ютерна програма дозволяє змоделювати роботу лазерного підсилювача за різних рівнів накачування.