7.3.1.  От спонтанного испускания к лазерной генерации в инверти­рованной активной среде

Как было установлено, световой пучок, проходя через инвертированную активную среду, может усили­ваться вследствие преобладания процессов вынужденного испуска­ния над процессами поглощения света. Тем самым был фактиче­ски объяснен принцип работы квантового оптического усилителя. Теперь обратимся к лазеру.

В отличие от усилителя, в лазере нет первичного когерентного светового пучка, который инициировал бы наряду с процессами поглощения света также процессы вынужденного испускания. Что­бы понять, каким образом начинается (точнее говоря, зарождается) лазерная генерация, необходимо обратиться к процессам спонтанного испускания света. Роль первичных фотонов, инициирующих вынужденное испускание новых фотонов и тем самым дающих начало процессу лазерной генерации, играют фотоны, случайно родившиеся при спонтанных переходах активных цент­ров с верхнего рабочего уровня на нижний. Каждый спонтанно родившийся фотон может инициировать (в инвертированной актив­ной среде) множество вынужденных переходов  и, как след­ствие, может обусловить появление целой лавины вторичных фо­тонов, находящихся в том же состоянии, что и первичный «спонтанный» фотон.

Однако спонтанно рождающиеся фотоны испускаются активными центрами независимым образом в самых разных направлениях. Следовательно, в самых разных направлениях будут распространяться и лавины вторичных («вынужденных») фотонов, соответствующие различным спонтанным фотонам. Иначе говоря «раз­брос» спонтанных фотонов по различным состояниям должен при­водить к соответствующему «разбросу» по состояниям и лавин, образованных «вынужденными» фотонами. Излучение, состоящее из таких фотонных лавин, очевидно, не обладает высокими коге­рентными свойствами.

Чтобы получить когерентное излучение, необходимо как-то упорядочить описанную картину. Для этого надо позаботиться об избирательности для фотонных состояний. Предположим, что ка­ким-то образом для некоторых (относительно немногих) фотонных состояний созданы благоприятные условия для развития процессов вынужденного испускания, тогда как для остальных фотонных состояний, напротив, созданы неблагоприятные условия. Для крат­кости будем говорить, соответственно, о выделенных и невыделен­ных фотонных состояниях. Спонтанные фотоны, случайно родив­шиеся в выделенных состояниях, инициируют появление в этих состояниях большого числа вторичных фотонов в результате вы­нужденных переходов активных центров. Те же фотоны, которые случайно родились в невыделенных состояниях, сравнительно ско­ро «выходят из игры», не приводя к появлению в этих состояниях сколько-нибудь значительного количества вторичных фотонов.

Поток вторичных фотонов в выделенных состояниях, очевидно, и есть лазерное излучение. Чем меньше число выделенных фотон­ных состояний, чем лучше они «выделены», тем жестче реализует­ся избирательность и, следовательно, тем выше степень когерент­ности излучения, генерируемого лазером. Если бы удалось выде­лить всего лишь одно фотонное состояние, то генерировалась бы идеально когерентная световая волна – плоская монохроматиче­ская волна с определенной поляризацией.