受激發射

受激發射（stimulated emission）是產生雷射的重要步驟。電子自高能態受到光的激發而躍遷到低能態，同時發射與激發光的相位、偏振方向和傳播方向相同的光，稱為受激發射。

受激發射是雷射的主要光源。受激發射的光放大（英語：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）縮寫就是“LASER”。受激發射概念是由阿爾伯特·愛因斯坦在他1917年發表的論文《關於輻射的量子理論》中提出的；大約10年後，英國著名物理學家、劍橋大學教授保羅·狄拉克首次實驗證明受激發射的存在。

基本介紹

• 中文名：受激發射
• 外文名：stimulated emission
• 概念：雷射的發射原理
• 特徵：激發電子躍遷到低能態而發射光
• 雷射器：發射雷射的裝置
• 套用：雷射

定義

在說明受激發射之前需先了解原子的能級的概念，其中發出光最重要的就是躍遷。

• 原子結構
  

原子基本上由原子核、電子組成。若有外來能量使電子與原子核的距離增大，則內能增加；反之減少。

• 原子能階
  

玻爾假說：原子存在某些定態，在這些定態時不發出也不吸收電磁輻射，原子定態能量只能採取某些分立值、等，這些定態能量的值稱為能階。

電子通過能階躍遷可以改變其軌道，離原子核較遠的軌道具有較高的能階。當電子從離原子核較遠的軌道（高能階）躍遷到離原子核較近的軌道（低能階）上時將會發射出光子。反之，吸收光子或聲子，可使電子自較低能階軌道躍遷到較高能階的軌道。每個躍遷對應一個特定的能量和波長。

與躍遷對應的高能階能量和低能階能量 滿足關係式：

上式中 c指真空中的光速，，λ為波長，ν為頻率，h為普朗克常數； J．s

發光

正常情況下，大多數粒子處於基態，要使這些粒子產生輻射作用，必須把處於基態的粒子激發到高能階上去。由於原子內部結構不同，相同的外界條件使原子從基態激發到各高能階的機率不同。通常把原子、分子或離子激發到某一能階上的可能性稱為這一能階的“激發機率”。

理論研究表明，光的發射過程分為兩種，一種是在沒有外來光子的情況下，處於高能階的一個原子自發地向低能階躍遷，並發射一個能量為-的光子，這種過程稱為“自發躍遷”；由原子自發躍遷發出的光波稱為自發發射。

另一種發射過程是處於高能階上的原子，在頻率為ν的輻射場作用下，躍遷至低能階並輻射一個能量為的光子，這種過程稱為受激發射躍遷；受激發射躍遷發出的光波，稱為受激發射。

受激發射與自發發射最重要的區別在於干涉性。自發發射是原子在不受外界輻射場控制情況下的自發過程，大量原子的自發輻射場的相位是不干涉的，輻射場的傳播方向和偏振態也是無規分布，而受激發射是在外界輻射場控制下的發光過程。因此，受激輻射場的頻率、相位、傳播方向和偏振態與外界輻射場完全相同。雷射就是一種受激發射的干涉光。

原理

受激發射（stimulated emission）是產生雷射的重要步驟。雷射工作物質的兩個能級E₂和E₁滿足輻射躍遷的選擇定則，當處於高能級E₂的粒子受到光子能量為ε=hν=E₂－E₁的光照射時，粒子會由於這種入射光的刺激而發射與入射光子一模一樣的光子，而躍遷到低能級E₁。也就是說，粒子躍遷發射的光與入射光二者的頻率都是：

ν=(E₂－E₁)/h

且有相同的偏振方向和傳播方向，它們是相干的。這個過程稱為光的受激發射。

設在時刻t處於高能級E₂上粒子數密度為N₂(t)，頻率為ν的入射光的單色輻射能量密度為ρ_ν，在t至t+dt時間內單位體積中從高能級E₂受激發射而躍遷到低能級E₁的粒子數dN₂₁為：

dN₂₁=B₂₁N₂ρ_νdt

B₂₁稱為受激發射係數，它是粒子能級系統的特徵參量。如記W₂₁=B₂₁ρ_ν，則有

W₂₁=B₂₁ρ_ν=dN₂₁/N₂dt

即W₂₁是單位時間內，在單色輻射能量密度ρ_ν的光照射下，由於受激發射躍遷到低能級E₁的粒子數在能級E₂總粒子數中所占的比例。也就是E₂能級上每一個粒子在單位時間內發生受激發射的機率。所以W₂₁稱為受激發射躍遷機率。它與ρ_ν成正比，而不像自發發射躍遷機率A₂₁那樣對一確定的能級系統是一常數。

概念說明

原子中的電子與外界交換能量而改變其運動狀態，稱為躍遷。在孤立原子中，這些能量是分立的，稱為能級。對於同一元素的原子，能級的情況完全相同。

受激發射是電子受到光的激發，自高能態躍遷到低能態，同時發射與激發光的相位、偏振方向和傳播方向都相同的光。

套用

在光源中，受激發射光占主要地位時稱為雷射。根據受激發射的原理，人們研製出各種各樣的雷射器。