受激发射

激光的发射原理

受激发射(stimulated emission)是产生激光的重要步骤。电子自高能态受到激发跃迁低能态,同时发射与激发光的相位偏振方向和传播方向相同的光,称为受激发射。

定义
在说明受激发射之前需先了解原子的能级的概念,其中发出光最重要的就是跃迁。
原子基本上由原子核、电子组成。若有外来能量使电子与原子核的距离增大,则内能增加;反之减少。
玻尔假说:原子存在某些定态,在这些定态时不发出也不吸收电磁辐射,原子定态能量只能采取某些分立值、等,这些定态能量的值称为能阶。
电子通过能阶跃迁可以改变其轨道,离原子核较远的轨道具有较高的能阶。当电子从离原子核较远的轨道(高能阶)跃迁到离原子核较近的轨道(低能阶)上时将会发射出光子。反之,吸收光子或声子,可使电子自较低能阶轨道跃迁到较高能阶的轨道。每个跃迁对应一个特定的能量和波长。
与跃迁对应的高能阶能量和低能阶能量 满足关系式:
上式中 c指真空中的光速,,λ为波长,ν为频率,h为普朗克常数; J.s
发光
正常情况下,大多数粒子处于基态,要使这些粒子产生辐射作用,必须把处于基态的粒子激发到高能阶上去。由于原子内部结构不同,相同的外界条件使原子从基态激发到各高能阶的概率不同。通常把原子、分子或离子激发到某一能阶上的可能性称为这一能阶的“激发概率”。
理论研究表明,光的发射过程分为两种,一种是在没有外来光子的情况下,处于高能阶的一个原子自发地向低能阶跃迁,并发射一个能量为-的光子,这种过程称为“自发跃迁”;由原子自发跃迁发出的光波称为自发发射。
另一种发射过程是处于高能阶上的原子,在频率为ν的辐射场作用下,跃迁至低能阶并辐射一个能量为的光子,这种过程称为受激发射跃迁;受激发射跃迁发出的光波,称为受激发射。
受激发射与自发发射最重要的区别在于干涉性。自发发射是原子在不受外界辐射场控制情况下的自发过程,大量原子的自发辐射场的相位是不干涉的,辐射场的传播方向和偏振态也是无规分布,而受激发射是在外界辐射场控制下的发光过程。因此,受激辐射场的频率、相位、传播方向和偏振态与外界辐射场完全相同。激光就是一种受激发射的干涉光。
原理
受激发射(stimulated emission)是产生激光的重要步骤。激光工作物质的两个能级E2和E1满足辐射跃迁选择定则,当处于高能级E2的粒子受到光子能量为ε=hν=E2-E1的光照射时,粒子会由于这种入射光的刺激而发射与入射光子一模一样的光子,而跃迁到低能级E1。也就是说,粒子跃迁发射的光与入射光二者的频率都是:
ν=(E2-E1)/h
且有相同的偏振方向和传播方向,它们是相干的。这个过程称为光的受激发射。
设在时刻t处于高能级E2上粒子数密度为N2(t),频率为ν的入射光的单色辐射能量密度为ρν,在t至t+dt时间内单位体积中从高能级E2受激发射而跃迁到低能级E1的粒子数dN21为:
dN21=B21N2ρνdt
B21称为受激发射系数,它是粒子能级系统的特征参量。如记W21=B21ρν,则有
W21=B21ρν=dN21/N2dt
即W21是单位时间内,在单色辐射能量密度ρν的光照射下,由于受激发射跃迁到低能级E1的粒子数在能级E2总粒子数中所占的比例。也就是E2能级上每一个粒子在单位时间内发生受激发射的概率。所以W21称为受激发射跃迁概率。它与ρν成正比,而不像自发发射跃迁概率A21那样对一确定的能级系统是一常数
概念说明
原子中的电子与外界交换能量而改变其运动状态,称为跃迁。在孤立原子中,这些能量是分立的,称为能级。对于同一元素的原子,能级的情况完全相同。
受激发射是电子受到光的激发,自高能态跃迁到低能态,同时发射与激发光的相位、偏振方向和传播方向都相同的光。
应用
光源中,受激发射光占主要地位时称为激光。根据受激发射的原理,人们研制出各种各样的激光器
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