受激輻射效應Stimulated radiation effects 由於場效應的作用，處於高能態的粒子受到感應而躍遷到低能態，同時發生光的輻射，這種輻射稱為受激輻射。這種輻射又感應其他高能態的粒子發生同樣的輻射，即產生受激輻射效應。受激輻射的特點是輻射光和感應它的光子同方向、同位相、同頻率並且同偏振面。
基本介紹
- 中文名：受激輻射效應
- 外文名：Stimulated radiation effects
- 由於：場效應的作用
- 舉例：光的輻射
定義,歷史,特點,原理,
定義
歷史
雷射的理論基礎早在1916年就已經由愛因斯坦奠定了。他以深刻的洞察力首先提出了受激輻射的概念。所謂受激輻射的概念是這樣的：處於高能級的原子，受外來光子的作用，當外來光子的頻率正好與它的躍遷頻率一致時，它就會從高能級跳到低能級，並發出與外來光子完全相同的另一光子。新發出的光子不僅頻率與外來光子一樣，而且發射方向、偏振態、位相和速率也都一樣。於是，一個光子變成了兩個光子。如果條件合適，光就可以象雪崩一樣得到放大和加強。特別值得注意的是，這樣放大的光是一般自然條件下得不到的“相干光”。
愛因斯坦是在論述普朗克黑體輻射公式的推導中提出受激輻射概念的。這篇論文題為《輻射的量子理論》，發表在德文《物理學年鑑》上。愛因斯坦在玻爾能級理論的基礎上進一步發展了光量子理論，他不但論述了輻射的兩種形式：自發輻射和受激輻射，而且也討論了光子與分子之間的兩種相互作用：能量交換和動量交換，為後來發現的康普頓效應奠定了理論基礎（參看§9.1）。
不過愛因斯坦並沒有想到利用受激輻射來實現光的放大。因為根據玻爾茲曼統計分布，平衡態中低能級的粒子數總比高能級多，靠受激輻射來實現光的放大實際上是不可能的。
因此在愛因斯坦提出受激輻射理論的許多年內，這個理論並沒有太多運用，僅僅局限於理論上討論光的散射、折射、色散和吸收等過程。直到1933年，在研究反常色散問題時才觸及到光的放大。
特點
受激輻射的光子不是自發產生的，而是在入射光的擾動下被引發的，所以輻射光子和外來誘發光子是完全相同的光子，二者不可分辨，它們的頻率，傳播方向，偏振態和相位都是相同的，它們相互疊加後使光的強度大大增加，使入射光得到光放大。受激輻射使光不斷放大而獲得的一種光就是雷射。
光的受激吸收和受激輻射這兩個過程，實際上是同時存在的，但是它們發生的機率卻不同。這是因為在熱平衡態下，物質中處於低能級的原子數總是比處於高能級的原子數要多，因此光的受激吸收過程占優勢，以致通常觀察到的是原子系統的光吸收現象，而不是光的受激輻射現象。
原理
受激輻射（釋放能量）
受激躍遷 由於入射光子的感應或激勵，導致原子從低能級躍遷到高能級去，這個過程稱為受激躍遷或感應躍遷。當入射光子與自發躍遷頻率相同時，導致電子從高能級躍遷到低能級，這種躍遷輻射叫做“受激輻射”。受激輻射出來的光子與入射光子有著同樣的特徵，如頻率、相位、振輻以及傳播方向等完全一樣。這種相同性就決定了受激輻射光的相干性。入射一個光子引起一個激發原子受激躍遷，在躍遷過程中，輻射出兩個同樣的光子，這兩個同樣的光子又去激勵其它激發原子發生受激躍遷，因而又獲得4個同樣的光子。如此反應下去，在很短的時間內，輻射出來大量同模樣、同性能的光子，這個過程稱為“雪崩”。雪崩就是受激輻射光的放大過程。受激輻射光是相干光，相干光有疊加效應，因此合成光的振幅加大，表現為光的高亮度性（上圖）。
激發壽命與躍遷機率取決於物質種類的不同。處於基態的原子可以長期的存在下去，但原子激發到高能級的激發態上去以後，它會很快地並且自發地躍遷回到低能級去。在高能級上滯留的平均時間，稱為原子在該能級上的“平均壽命”，通常以符號“τ”表示。一般說，原子處於激發態的時間是非常短的，約為10－8秒。
激發系統在1秒內躍遷回基態的原子數目稱為“躍遷機率”，通常以“A”表示。大多數同種原子的平均躍遷機率都有固定的數值。躍遷率A與平均壽命τ的關係：
A=1/τ
由於原子內部結構的特殊性，決定了各能級的平均壽命長短不等。例如紅寶石中的鉻離子E3的壽命非常短，只有10－9秒，而E2的壽命比較長，約為數秒。壽命較長的能級稱為“亞穩態”。具有亞穩態原子、離子或分子的物質，是產生雷射的工作物質，因亞穩態能更好地為粒子數反轉創造條件。
