[科普中国]-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

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满足辐射跃迁的选择定则，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。1

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。1

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。2

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。2

应用在光源中，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。2