原子、分子與光物理

受激放射(stimulated emission)

激發原子可以自己掉到較低能階並放出一個光子——這是自發放射。但愛因斯坦在 1917 年意識到必定還有第三種過程:若一個能量恰好相符的光子已在旁經過,它能觸發激發原子落下並放出第二個光子。關鍵在於,這放出的光子是觸發光子的完美雙胞胎——頻率、方向、相位、偏振全都相同。受激放射就是光複製出與自身相同的副本,也是雷射的物理種子。

愛因斯坦的處理是在與譜密度 rho(nu) 的輻射達平衡時,平衡三種速率:以速率 B_12 rho N_1 的吸收、以速率 A_21 N_2 的自發放射,以及以速率 B_21 rho N_2 的受激放射,其中 N_1、N_2 是下、上能階的族群數。要求與普朗克譜及波茲曼族群一致,便強制得出愛因斯坦關係式 B_12 = B_21(簡併度相等時)與 A_21/B_21 = 8 pi h nu^3/c^3。由於受激放射與吸收由同一係數主宰,唯有在上能階原子多於下能階時光束才被放大:淨增益需要 N_2 > N_1,即族群反轉。

受激放射是相干光放大之所以可能的原因;反過來看,也是介質通常會吸收光的原因。無可迴避的限制是:熱平衡下不可能有族群反轉——波茲曼因子保證在任何正溫度下 N_2 < N_1,故雷射必須被主動泵浦進非平衡態才能反轉族群。此外,受激放射切不可與自發放射混淆,後者不帶觸發光子的相位或方向,是原子隨機、非相干微光的來源。

愛因斯坦關係 A_21/B_21 = 8 pi h nu^3/c^3 顯示在高頻時自發放射佔主導。在光學頻率下,普通光中的自發放射輕易勝過受激放射——這正是燈泡光非相干的原因,也是製造雷射既需要族群反轉、又需要共振腔來累積受激場的原因。

nu^3 這個因子正是相干光在泵浦與共振腔出現前難以製造的原因。

光靠受激放射並不能造出雷射——沒有族群反轉,同一耦合會使介質成為淨吸收體,故泵浦到非平衡的反轉態才是真正的先決條件。

又称
induced emissionstimulated radiation誘導放射受激輻射