Введение
Выброс фотона, вызванный другим фотоном (стимулированное излучение) – это процесс, при котором входящий фотон определенной частоты может взаимодействовать с возбужденным атомным электроном (или другим возбужденным молекулярным состоянием), заставляя его перейти на более низкий энергетический уровень. Освобождающаяся энергия передается электромагнитному полю, создавая новый фотон с частотой, поляризацией и направлением распространения, идентичными фотонам падающей волны. Это отличается от спонтанного излучения, которое происходит с характерной скоростью для каждого атома/осциллятора в верхнем энергетическом состоянии, независимо от внешнего электромагнитного поля. Согласно Американскому физическому обществу, Альберт Эйнштейн первым правильно предсказал явление стимулированного излучения в серии работ, начиная с 1916 года, кульминацией которых стал коэффициент Эйнштейна B. Работа Эйнштейна заложила теоретический фундамент для мазера и лазера. Этот процесс аналогичен атомному поглощению, в котором энергия поглощенного фотона вызывает идентичный, но обратный атомный переход: с нижнего уровня на более высокий энергетический уровень. В обычных средах при термическом равновесии поглощение преобладает над стимулированным излучением, поскольку в нижних энергетических состояниях находится больше электронов, чем в верхних. Однако, при наличии инверсии населенностей, скорость стимулированного излучения превышает скорость поглощения, что позволяет достичь чистого оптического усиления. Такая среда с усилением, вместе с оптическим резонатором, является основой лазера или мазера. Без механизма обратной связи, лазерные усилители и сверхлюминесцентные источники также функционируют на основе стимулированного излучения.
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.
Обзор
Электроны и их взаимодействие с электромагнитными полями важны для нашего понимания химии и физики. В классическом представлении энергия электрона, вращающегося вокруг атомного ядра, больше для орбит, удаленных от ядра атома. Однако квантово-механические эффекты заставляют электроны занимать дискретные позиции в орбиталях. Таким образом, электроны находятся в определенных энергетических уровнях атома, два из которых показаны ниже:
Когда электрон поглощает энергию либо от света (фотонов), либо от тепла (фононов), он получает этот входящий квант энергии. Но переходы допускаются только между дискретными энергетическими уровнями, такими как два, показанные выше. Это приводит к образованию линий эмиссии и линий поглощения. Когда электрон возбуждается с более низкого на более высокий энергетический уровень, маловероятно, что он останется в этом состоянии навсегда. Электрон в возбужденном состоянии может распадаться до более низкого энергетического состояния, которое не занято, в соответствии с определенной временной константой, характеризующей этот переход. Когда такой электрон распадается без внешнего воздействия, излучая фотон, это называется "спонтанным излучением". Фаза и направление, связанные с излучаемым фотоном, случайны. Материал с множеством атомов в таком возбужденном состоянии может излучать с узким спектром (с центром вокруг одной длины волны света), но отдельные фотоны не будут иметь общей фазовой когерентности и будут исходить в случайных направлениях. Это механизм флуоресценции и теплового излучения. Внешнее электромагнитное поле на частоте, соответствующей переходу, может влиять на квантово-механическое состояние атома, не будучи поглощенным. Когда электрон в атоме совершает переход между двумя стационарными состояниями (ни одно из которых не имеет дипольного момента), он входит в переходное состояние, которое обладает дипольным моментом и действует как небольшой электрический диполь, колеблющийся с характерной частотой. В ответ на внешнее электрическое поле на этой частоте вероятность перехода электрона в это переходное состояние значительно возрастает. Таким образом, скорость переходов между двумя стационарными состояниями увеличивается по сравнению со скоростью спонтанного излучения. Переход с более высокого на более низкий энергетический уровень производит дополнительный фотон с той же фазой и направлением, что и падающий фотон; это процесс стимулированного излучения.
История
Стимулированное излучение было теоретическим открытием Альберта Эйнштейна в рамках старой квантовой теории, где излучение описывается в терминах фотонов – квантов электромагнитного поля. Стимулированное излучение может также происходить в классических моделях, без обращения к фотонам или квантовой механике. (См. также .) По мнению профессора физики и директора Гарвардско-МТИ Центра ультрахолодных атомов Дэниела Клеппнера, теория излучения Эйнштейна опередила своё время и предвосхитила современную теорию квантовой электродинамики и квантовой оптики на несколько десятилетий.