Оптический квантовый генератор – лазер

Согласно законам квантовой механики, энергия электрона, связанного в атоме, а, следовательно, и энергия атома в целом, не произвольна. Она может иметь лишь определенный дискретный ряд значений Е₀, Е₁, Е₂, …, Е_п, …, которые называется уровнями энергии. Самый нижний уровень энергии Е₀, при котором энергия атома наименьшая, является основным уровнем, остальные, соответствующие более высокой энергии Е₁, Е₂, … - возбужденными. Изменение энергии атома, т.е. переход его из одного состояния в другое, осуществляется скачком – квантовым переходом, который сопровождается поглощением или излучением атомом электромагнитной волны с частотой, определяемой соотношением:

, (4)

где Е_п и Е_m - конечный и начальный уровень энергии, h - постоянная Планка.

Возбуждение атома происходит в результате сообщения атому дополнительной энергии при каких-либо внешних воздействиях. Это состояние атома неустойчиво, поэтому через некоторое время (≈10^-8сек) атом возвращается в основное состояние, излучая при этом фотон, уносящий дополнительную энергию, полученную атомом при возбуждении. Переход на основной уровень может быть как единым (рис. 2а), так и ступенчатым (рис. 2б), через промежуточные уровни. В последнем случае при переходах будет излучаться несколько фотонов с частотами, соответствующими разности энергий этих промежуточных уровней, причем некоторые переходы на низлежащие энергетические уровни могут не сопровождаться излучением, т.е. быть безизлучательными. При таких переходах энергия атома передается соседним атомам или молекулам кристаллической решетки и переходит в энергию их колебательного (теплового) движения

У некоторых веществ имеются возбужденные энергетические уровни, переход с которых на основной путем излучения фотонов имеет малую вероятность, т.е. происходит медленно и постепенно, поэтому возбужденные атомы могут задерживаться на них достаточно долго. Такие уровни называются метастабильными.