受激发射

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受激发射英语Stimulated emission)是雷射的主要光源。受激发射的光放大英语Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)縮寫就是“LASER”。受激发射概念是由阿尔伯特·爱因斯坦在他1917年發表的論文《關於輻射的量子理論》中提出的;大約10年後,英國著名物理學家、劍橋大學教授保羅·狄拉克首次實驗證明受激发射的存在。

定義[编辑]

在說明受激发射之前需先了解原子能階之概念,其中發出光最重要的就是所謂躍遷

Stimulated Emission.svg
  • 原子結構
    • 原子基本上由原子核、電子組成。若有外來能量使電子與原子核的距離增大,則內能增加;反之減少。
  • 原子能階
    • 波爾假說:原子存在某些定態,在這些定態時不發出也不吸收電磁輻射,原子定態能量只能採取某些分立值E1、E2等,這些定態能量的值稱為能階。
    • 電子通過能階躍遷可以改變其軌道,當它從離原子核較遠的軌道(高能階)躍遷到離原子核較近的軌道(低能階)上時將會發射出光子,反之將會吸收光子。每個躍遷對應一個特定的能量和波長。

與躍遷對應的高能階能量E2和低能階能量E1 滿足關係式:E_2-E_1={h}{\nu}=\frac{hc}{\lambda}

  • 上式中 c指真空中的光速,c=3*10^8m/s,λ為波長,ν為頻率,h為普朗克常數h=6.62*10^{-34} J.s

發光[编辑]

正常情況下,大多數粒子處於基態,要使這些粒子產生輻射作用,必須把處於基態的粒子激發到高能階上去。由於原子內部結構不同,相同的外界條件使原子從基態激發到各高能階的機率不同。通常把原子、分子或離子激發到某一能階上的可能性稱為這一能階的“激發機率”。

理論研究表明,光的發射過程分為兩種,一種是在沒有外來光子的情況下,處於高能階E2的一個原子自發地向低能階E1躍遷,並發射一個能量為的光子,這種過程稱為“自發躍遷”;由原子自發躍遷發出的光波稱為自發發射

另一種發射過程是處於高能階E2上的原子,在頻率為ν的輻射場作用下,躍遷至低能階E1並輻射一個能量為的光子,這種過程稱為受激发射躍遷;受激发射躍遷發出的光波,稱為受激发射。

受激发射與自發發射最重要的區別在於干涉性。自發發射是原子在不受外界輻射場控制情況下的自發過程,大量原子的自發輻射場的相位是不干涉的,輻射場的傳播方向和偏振態也是無規分佈,而受激发射是在外界輻射場控制下的發光過程。因此,受激輻射場的頻率、相位、傳播方向和偏振態與外界輻射場完全相同。激光就是一種受激发射的干涉光。

受激发射躍遷機率[编辑]

W_{21}=\left[ \frac{dN_{21}}{dt} \right]_{st} *  \frac{1}{N_2}=B_{21}\boldsymbol{\rho}\nu
W_{21}定義為單位時間內,N_{2}個高能階原子中發生躍遷的原子數與N_{2}之比
B_{21}為受激發射躍遷愛因斯坦係數,為輻射場單色能量密度。單位體積內,頻率處於ν附近的單位頻率間隔中的電磁輻射能量。

受激發射躍遷機率不僅與原子性質有關,還與輻射場的ρν有關。