Спонтанне і вимушене випромінювання

Атоми можуть знаходитися лише у квантових станах з дискретними значеннями енергії , , ,... Задля простоти розглянемо два з цих станів (n і k) з енергіями і . Якщо атом знаходиться в основному стані , то під дією зовніш­нього випромінювання може здійснитися вимушений перехід у збуджений стан k, що приводить до поглинання випромінювання (рис. 4.8). Ймовірність таких переходів пропорційна до густини енергії випромінювання, що викликає ці переходи.

Дослід показує, що атом в збудженому енергетичному стані сам собою переходить у нормальний, незбуджений стан, випромінюючи фотон.

Таке випромінювання, яке відбувається без зовнішніх причин, що змінюють енергію атома, називають самочинним, або спонтанним випромінюванням.

Спонтанні переходи взаємно не зв’язані, тому спонтанне випромінювання некогерентне.

У 1916 р. Ейнштейн для пояснення термодинамічної рівноваги між речовиною і випромінюванням, що випускається і поглинається нею, постулював, що крім пог­линання і спонтанного випромінювання повинен існувати третій, якісно інший тип взаємодії. Якщо на атом, що знаходиться у збудженому стані k, діє зовнішнє випромінювання з частотою, що задовольняє умову , то виникає вимушений перехід в основний стан n з випромінюванням фотона з тією самою енергією (рис. 4.9). При подібному переході відбувається випромінювання атомом фотона, додатково до того фотона, під дією якого відбувається перехід.

Ймовірність вимушеного випромінювання під дією поля пропорційна до об’ємної густини енергії поля і деякому коефіцієнту , який називається коефіцієнтом Ейнштейна для вимушеного (індукованого) випромінювання.

Вимушене випромінювання (вторинні фотони) тотожне вимушуючому випромінюванню (первинні фотони) і воно має таку ж частоту, фазу, поляризацію і напрямок поширення, як і вимушуюче випромінювання.

Вторинні фотони, рухаючись в одному напрямку і зустрічаючи інші збуджені атоми, стимулюють наступні індуковані переходи і кількість фотонів зростає лавиноподібно. Однак поряд з вимушеним випромінюванням можливий і конкуруючий процес – поглинання. Тому для підсилення падаючого випромінювання необхідно, щоб кількість актів вимушеного випромінювання фотонів яка пропорційна до заселеності збуджених станів, перевищувала число актів поглинання фотонів, що пропорційна до заселеності основних станів.

Щоб середовище підсилювало падаюче на нього випромінювання, необхідно створити нерівноважний стан системи, при якому кількість атомів у збудженому стані було би більшою, ніж їх кількість в основному стані. Такі стани називаються станами з інверсною заселеністю. Створення нерівноважного стану речовини називається накачуванням. Накачування можна здійснити оптичним, електричним й іншими способами.

У середовищах, які перебувають в інверсному стані, вимушене випромінювання може перевищувати поглинання, внаслідок чого падаючий пучок світла при проходженні через ці середовища буде підсилюватися.