116 Состояние W3 является короткоживущим (время жизни τ3 ≈ 1 мкс). С уровня W3 ионы переходят на уровень W2 с испусканием фононов (квантов энергии тепловых колебаний атомов). Состояние W2 является метастабильным с большим временем жизни: τ2 ≈ 10 мс. Поэтому при соответствующей мощности накачки число ионов N2, находящихся на уровне W2, может превышать число ионов N1 на уровне W1. Таким образом, в системе ионов эрбия происходит накопление энергии за счёт поглощения квантов излучения накачки. Состояние среды, при котором заселённость более высокого уровня энергии превышает заселённость нижележащего уровня, получило название состояния с инверсией заселённости. В ряде схем усилителей состояние с инверсией заселённости уровней достигается при облучении волокна светом лазера с длиной волны 1480 нм (рис.3.4,а). Пусть по волокну с инверсией заселённости уровней проходит полезный (усиливаемый) сигнал с энергией фотонов, совпадающей с энергией перехода из метастабильного состояния в основное λс ≈ 1550 нм. Фотоны входного сигнала взаимодействуют с ионами эрбия и вынуждают их совершать переходы с метастабильного уровня W2 на основной уровень W1 с испусканием фотонов, когерентных с фотонами входного сигнала. Таким образом, в каждом элементарном акте вынужденного излучения возникают два фотона с идентичными свойствами: частотой, фазой, поляризацией и направлением распространения (рис.3.4,б). Так как все вновь рождённые фотоны когерентны, то их совокупность представляет собой электромагнитную волну, отличающуюся от электромагнитной волны входного сигнала только большей интенсивностью. При этом ионы эрбия, отдав запасённую энергию в ходе вынужденного излучения, возвращаются в основное, невозбуждённое, состояние. Однако не все ионы эрбия находятся в метастабильном состоянии W2 и обеспечивают усиление сигнала. Часть ионов находится на уровне W1. Эти ионы, взаимодействуя с фотонами, энергия которых совпадает с энергией перехода (λс ≈ 1550 нм),