Спонтанное и вынужденное излучение

Энергетический спектр атома представляет собой дискретный набор разрешенных значений энергии. Атом поглощает и излучает энергию при переходах с одного энергетического уровня на другой. Рассмотрим для простоты только два состояния атома: основное с энергией Е₁ и возбужденное с энергией Е₂ (Е₁<Е₂). Если атом находится в основном состоянии, то под действием внешнего излучения с энергией hν = Е₂ –Е₁ он может перейти в возбужденное состояние. Этот процесс характеризуется поглощением энергии. Атом, находящийся в возбужденном состоянии, может через некоторое время спонтанно (т.е. самопроизвольно) перейти в основное состояние, излучив квант энергии с энергией hν = Е₂ – Е₁. Спонтанные переходы взаимно не связаны, поэтому спонтанное излучение некогерентно. В 1916 г. А. Эйнштейн для объяснения термодинамического равновесия между веществом и излучением постулировал, что кроме рассмотренных выше поглощения и спонтанного излучения, существует качественно иной тип взаимодействия. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию hν = Е₂–Е₁, то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние с излучением фотона с энергией hν = Е₂ –Е₁. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным или индуцированным. В процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный, вызывающий излучение, и вторичный, испущенный атомом. Важно, что вторичные фотоны неотличимы от первичных, являясь их точной копией.

Эйнштейн и Дирак показали, что вынужденное излучение (вторичные фотоны) тождественно вынуждающему излучению (первичные фотоны). Вынужденное излучение имеет такую же фазу, частоту, поляризацию и направление распространения, как и вынуждающее излучение. Вынужденное излучение является строго когерентным.

Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении, встречают другие возбужденные атомы, стимулируя индуцированное излучение; процесс развивается лавинообразно. Однако наряду с вынужденным излучением реализуется и конкурирующий процесс – поглощение. Интенсивность процессов излучения и поглощения пропорциональна заселенности возбужденного и основного энергетических уровней соответственно. В состоянии термодинамического равновесия заселенность основного состояния больше заселенности возбужденного, поэтому поглощение преобладает над излучением. Падающее излучение при прохождении через вещество ослабляется.

Для усиления падающего излучения необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденном состоянии превышало бы число атомов в основном состоянии. Такое состояние называется состоянием с инверсией населенностей. Процесс создания неравновесного состояния вещества с инверсией населенностей называется накачкой, среды с инверсией населенностей называются активными. При прохождении излучения через активные среды с инверсной населенностью происходит его усиление. Открытие явления усиления электромагнитных волн и изобретенный способ их усиления легли в основу квантовой электроники.