. Усиление в такой среде невозможно, хотя и существует малая вероятность эмиссии (испускания) фотона, если электрон спонтанно перейдет с верхнего возбужденного уровня на нижний релаксационный уровень.
Если существует некая активная среда, имеющая только два энергетических состояния E1 и E2 (см. рис. 1), причем E2 > E1, т.е. E2 является возбужденным по отношению к E1 состоянием, то в равновесных условиях число рабочих частиц (электронов, ионов или молекул - потенциальных усилительных агентов среды) распределено по статистике Больцмана так, что N1 > N2. В результате, если на вход такой среды попадает фотон, то он с большей вероятностью будет поглощен этой средой, что может сопровождаться переходом частицы с уровня E1 на уровень E2, если энергия фотона
. Усиление в такой среде невозможно, хотя и существует малая вероятность эмиссии (испускания) фотона, если электрон спонтанно перейдет с верхнего возбужденного уровня на нижний релаксационный уровень.
Рис. 1 Cхема двухуровневой модели
Усиление станет возможным, если удастся создать инверсию населенностей уровней, когда N2 > N1. Для этого используется система энергетической накачки. В качестве накачки можно использовать инжекцию электронов или излучение лазера соответствующей длины волны для создания фотонов нужной энергии. В результате накачки и создания определенной инверсии населенности активная среда становится способной генерировать вторичные фотоны (той же частоты и направления распространения) с коэфициентом размножения K при попадании на ее вход возбуждающего фотона из светового потока усиливаемого сигнала. В результате осуществляется его усиление за счет возбуждаемой эмиссии.
Усиление носит распределенный характер - следствие генерации вторичных фотонов в течении всего времени прохождения усиливаемого оптического сигнала через активную среду, имеющую конечную длину L, что и обуславливает появление этого параметра в формулах для коэффициента усиления оптического усилителя.
Усиление неизбежно сопровождается двумя другими процессами:
Рис. 2 Cхема трехуровневой модели
Некоторые типы оптических усилителей, использующие для накачки лазеры, требуют рассмотрения более сложной трехуровневой схемы взаимодействия, где третий - метастабильный уровень E3 лежит между первым и вторым уровнями. Схема создания инверсии населенности такова: с первого уровня частицы накачкой переводятся на второй, с которого они в результате релаксации переходят на метастабильный уровень, время жизни которого (среднее время до спонтанного испускания фотона) достаточно велико. На этом уровне частицы накапливаются и создается достаточный уровень инверсии населенностей по отношению к первому уровню (N3 > N1).