受激发射

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受激发射

石鑫华机器视觉网：受激发射（英语：Stimulated emission）是激光的主要光源。受激发射的光放大（英语：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）缩写就是“LASER”。受激发射概念是由阿尔伯特·爱因斯坦在他1917年发表的论文《关于辐射的量子理论》中提出的；大约10年后，英国著名物理学家、剑桥大学教授保罗·狄拉克首次实验证明受激发射的存在。
定义

在说明受激发射之前需先了解原子的能阶之概念，其中发出光最重要的就是所谓跃迁。

                               
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• 原子结构
  
  
  
  • 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。
    
• 原子能阶
• 波尔假说：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E1、E2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，当它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，反之将会吸收光子。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E2和低能阶能量E1 满足关系式：

                               
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• 上式中 c指真空中的光速，
  
                                 
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  m/s，λ为波长，ν为频率，h为普朗克常数；
  
                                 
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  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机率不同。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“激发机率”。
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E2的一个原子自发地向低能阶E1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E2上的原子，在频率为ν的辐射场作用下，跃迁至低能阶E1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。
受激发射跃迁机率

                               
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定义为单位时间内，

                               
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个高能阶原子中发生跃迁的原子数与

                               
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之比

                               
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为受激发射跃迁爱因斯坦系数，为辐射场单色能量密度。单位体积内，频率处于ν附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量。
受激发射跃迁机率不仅与原子性质有关，还与辐射场的ρν有关。
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