Кіріспе
Фотонның басқа фотонмен шақырылған эмиссия арқылы босатылуы – бұл белгілі бір жиіліктің кіріс фотонының қозған атом электронымен (немесе басқа қозған молекулалық күймен) өзара әрекеттесуі, оның нәтижесінде төменгі энергия деңгейіне өтуіне себеп болатын процесс. Босатылған энергия электромагниттік өріске беріліп, кіріс толқын фотондарымен бірдей жиілікке, поляризацияға және қозғалыс бағытына ие жаңа фотондарды жасайды. Бұл сыртқы электромагниттік өріске тәуелсіз, жоғары энергия деңгейіндегі әрбір атом/осциллятор үшін мінелі жылдамдықпен жүретін спонтанды эмиссиядан өзгеше. Американдық физикалық қоғам мәлімдегендей, шақырылған эмиссия құбылысын дұрыс болжаған алғашқы адам Альберт Эйнштейн болды, ол 1916 жылдан бастап жариялаған бірнеше мақалаларында бұл құбылысты зерттеді, нәтижесінде қазір Эйнштейннің B коэффициенті деп аталатын теория пайда болды. Эйнштейннің еңбектері мазер мен лазердің теориялық негізін құрады. Бұл процесс атомдық сіңірумен ұқсас, онда сіңірілген фотонның энергиясы бірдей, бірақ кері атомдық өтуге себеп болады: төменгі деңгейден жоғары энергия деңгейіне. Қалыпты ортада, термиялық тепе-теңдік күйінде сіңіру шақырылған эмиссиядан басым болады, себебі жоғары энергия деңгейлеріне қарағанда төменгі энергия деңгейлерінде көбірек электрондар болады. Дегенмен, популяция инверсиясы болған кезде, шақырылған эмиссияның жылдамдығы сіңіруден асып түседі және таза оптикалық күшейтуге қол жеткізіледі. Мұндай күшейту ортасы, оптикалық резонатормен бірге лазердің немесе мазердің негізгі бөлігін құрайды. Кері байланыс механизмі болмаған жағдайда, лазерлік күшейткіштер мен суперлюминесцентті көздер де шақырылған эмиссия принципі бойынша жұмыс істейді.
Stimulated emission is the process by which an incoming photon of a specific frequency can interact with an excited atomic electron (or other excited molecular state), causing it to drop to a lower energy level. The liberated energy transfers to the electromagnetic field, creating a new photon with a frequency, polarization, and direction of travel that are all identical to the photons of the incident wave. This is in contrast to spontaneous emission, which occurs at a characteristic rate for each of the atoms/oscillators in the upper energy state regardless of the external electromagnetic field. According to the American Physical Society, the first person to correctly predict the phenomenon of stimulated emission was Albert Einstein in a series of papers starting in 1916, culminating in what is now called the Einstein B Coefficient. Einstein's work became the theoretical foundation of the maser and the laser. The process is identical in form to atomic absorption in which the energy of an absorbed photon causes an identical but opposite atomic transition: from the lower level to a higher energy level. In normal media at thermal equilibrium, absorption exceeds stimulated emission because there are more electrons in the lower energy states than in the higher energy states. However, when a population inversion is present, the rate of stimulated emission exceeds that of absorption, and a net optical amplification can be achieved. Such a gain medium, along with an optical resonator, is at the heart of a laser or maser. Lacking a feedback mechanism, laser amplifiers and superluminescent sources also function on the basis of stimulated emission.
Шолу
Электрондар және олардың электромагниттік өрістермен өзара әрекеттесуі химия мен физиканы түсінуде маңызды. Классикалық көзқарас бойынша, атом ядросын айналатын электронның энергиясы, атом ядросынан алысрақ орналасқан орбиталар үшін жоғары болады. Алайда, кванттық механикалық эффектілер электрондарды орбитальдарда дискретті жағдайларға түсуге мәжбүрлейді. Осылайша, электрондар атомның белгілі бір энергия деңгейлерінде табылады, олардың екеуі төменде көрсетілген: Электрон жарықтан (фотон) немесе жылудан (фонон) энергия сіңіргенде, ол сол энергия квантын қабылдайды. Бірақ, ауысулар жоғарыда көрсетілгендей, екі дискретті энергия деңгейі арасында ғана мүмкін болады. Бұл эмиссиялық және сіңіру сызықтарына алып келеді. Электронды төменгі энергия деңгейінен жоғары энергия деңгейіне қоздырғанда, ол сол күйде мәңгі қалуы екіталай. Қозған күйдегі электрон, сол ауысуды сипаттайтын белгілі бір уақыт константасына сәйкес, бос емес төменгі энергия деңгейіне ыдырай алады. Мұндай электрон сыртқы ықпалсыз ыдыраса, фотонды шығарады, бұл "спонтандық эмиссия" деп аталады. Шығарылған фотонның фазасы мен бағыты кездейсоқ болады. Мұндай қозған күйдегі көптеген атомдары бар материал тар спектрлі сәулеленуге (жарықтың бір толқын ұзындығының айналасында шоғырланған) әкелуі мүмкін, бірақ жеке фотондардың ортақ фазалық байланысы болмайды және олар кездейсоқ бағытта таралады. Бұл флуоресценция мен жылулық эмиссияның механизмі. Сыртқы электромагниттік өріс, ауысу жиілігімен байланысты болса, сіңірілмей атомның кванттық механикалық күйіне әсер етуі мүмкін. Атомдағы электрон екі тұрақты күйдің арасында аусқанда (екісі де дипольдік өріс көрсетпейді), ол дипольдік өрісі бар және кішкентай электр диполі сияқты әрекет ететін ауысу күйіне енеді, ал бұл диполь белгілі бір жиілікте тербеледі. Осы жиіліктегі сыртқы электр өрісіне жауап ретінде электронның бұл ауысу күйіне ену ықтималдығы артады. Осылайша, екі тұрақты күйдің арасындағы ауысу жылдамдығы спонтандық эмиссиядан жоғарылайды. Жоғары энергия деңгейінен төмен энергия деңгейіне ауысу кезінде, кіріске фотонмен бірдей фаза мен бағытта қосымша фотон пайда болады; бұл стимуляцияланған эмиссия процесі.
When an electron absorbs energy either from light (photons) or heat (phonons), it receives that incident quantum of energy. But transitions are only allowed between discrete energy levels such as the two shown above. This leads to emission lines and absorption lines. When an electron is excited from a lower to a higher energy level, it is unlikely for it to stay that way forever. An electron in an excited state may decay to a lower energy state which is not occupied, according to a particular time constant characterizing that transition. When such an electron decays without external influence, emitting a photon, that is called "spontaneous emission". The phase and direction associated with the photon that is emitted is random. A material with many atoms in such an excited state may thus result in radiation which has a narrow spectrum (centered around one wavelength of light), but the individual photons would have no common phase relationship and would also emanate in random directions. This is the mechanism of fluorescence and thermal emission. An external electromagnetic field at a frequency associated with a transition can affect the quantum mechanical state of the atom without being absorbed. As the electron in the atom makes a transition between two stationary states (neither of which shows a dipole field), it enters a transition state which does have a dipole field, and which acts like a small electric dipole, and this dipole oscillates at a characteristic frequency. In response to the external electric field at this frequency, the probability of the electron entering this transition state is greatly increased. Thus, the rate of transitions between two stationary states is increased beyond that of spontaneous emission. A transition from the higher to a lower energy state produces an additional photon with the same phase and direction as the incident photon; this is the process of stimulated emission.
Тарих
Стимулданған эмиссия – Альберт Эйнштейннің ескі кванттық теория шеңберінде жасаған теориялық ашылуы. Бұл эмиссия ЭМ өрісінің кванттары болып табылатын фотондар арқылы сипатталады. Стимулданған эмиссия фотондарға немесе кванттық механикаға сілтеме жасамай классикалық модельдерде де жүзеге асуы мүмкін. (Сондай-ақ қараңыз.) Физика профессоры және MIT Гарвард ультрасуық атомдар орталығының директоры Дэниел Клеппнердің пікірінше, Эйнштейннің сәулелену теориясы өз заманынан озып кеткен және кванттық электродинамика мен кванттық оптиканың қазіргі заманғы теориясын бірнеше онжылдықтарға бұрын болжаған.