受激辐射效应

物理学术语

受激辐射效应Stimulated radiation effects 由于场效应的作用，处于高能态的粒子受到感应而跃迁到低能态，同时发生光的辐射，这种辐射称为受激辐射。这种辐射又感应其他高能态的粒子发生同样的辐射，即产生受激辐射效应。受激辐射的特点是辐射光和感应它的光子同方向、同位相、同频率并且同偏振面。

定义

对于物质中处于高能级上的原子，如果在它发生自发辐射以前，受到频率的外来光子的作用，就有可能在外来光子的影响下，发射出一个同样的光子，而由高能级跃迁到低能级上。这种辐射不同于自发辐射，称为受激辐射。

发展历史

激光的理论基础早在1916年就已经由爱因斯坦奠定了。他以深刻的洞察力首先提出了受激辐射的概念。所谓受激辐射的概念是这样的：处于高能级的原子，受外来光子的作用，当外来光子的频率正好与它的跃迁频率一致时，它就会从高能级跳到低能级，并发出与外来光子完全相同的另一光子。新发出的光子不仅频率与外来光子一样，而且发射方向、偏振态、位相和速率也都一样。于是，一个光子变成了两个光子。如果条件合适，光就可以象雪崩一样得到放大和加强。特别值得注意的是，这样放大的光是一般自然条件下得不到的“相干光”。

爱因斯坦是在论述普朗克黑体辐射公式的推导中提出受激辐射概念的。这篇论文题为《辐射的量子理论》，发表在德文《物理学年鉴》上。爱因斯坦在玻尔能级理论的基础上进一步发展了光量子理论，他不但论述了辐射的两种形式：自发辐射和受激辐射，而且也讨论了光子与分子之间的两种相互作用：能量交换和动量交换，为后来发现的康普顿效应奠定了理论基础（参看§9.1）。

不过爱因斯坦并没有想到利用受激辐射来实现光的放大。因为根据玻尔兹曼统计分布，平衡态中低能级的粒子数总比高能级多，靠受激辐射来实现光的放大实际上是不可能的。

因此在爱因斯坦提出受激辐射理论的许多年内，这个理论并没有太多运用，仅仅局限于理论上讨论光的散射、折射、色散和吸收等过程。直到1933年，在研究反常色散问题时才触及到光的放大。

特点介绍

受激辐射的光子不是自发产生的，而是在入射光的扰动下被引发的，所以辐射光子和外来诱发光子是完全相同的光子，二者不可分辨，它们的频率，传播方向，偏振态和相位都是相同的，它们相互叠加后使光的强度大大增加，使入射光得到光放大。受激辐射使光不断放大而获得的一种光就是激光。

光的受激吸收和受激辐射这两个过程，实际上是同时存在的，但是它们发生的概率却不同。这是因为在热平衡态下，物质中处于低能级的原子数总是比处于高能级的原子数要多，因此光的受激吸收过程占优势，以致通常观察到的是原子系统的光吸收现象，而不是光的受激辐射现象。

原理

受激辐射（释放能量）

受激跃迁　由于入射光子的感应或激励，导致原子从低能级跃迁到高能级去，这个过程称为受激跃迁或感应跃迁。当入射光子与自发跃迁频率相同时，导致电子从高能级跃迁到低能级，这种跃迁辐射叫做“受激辐射”。受激辐射出来的光子与入射光子有着同样的特征，如频率、相位、振辐以及传播方向等完全一样。这种相同性就决定了受激辐射光的相干性。入射一个光子引起一个激发原子受激跃迁，在跃迁过程中，辐射出两个同样的光子，这两个同样的光子又去激励其它激发原子发生受激跃迁，因而又获得4个同样的光子。如此反应下去，在很短的时间内，辐射出来大量同模样、同性能的光子，这个过程称为“雪崩”。雪崩就是受激辐射光的放大过程。受激辐射光是相干光，相干光有叠加效应，因此合成光的振幅加大，表现为光的高亮度性（上图）。

激发寿命与跃迁机率取决于物质种类的不同。处于基态的原子可以长期的存在下去，但原子激发到高能级的激发态上去以后，它会很快地并且自发地跃迁回到低能级去。在高能级上滞留的平均时间，称为原子在该能级上的“平均寿命”，通常以符号“τ”表示。一般说，原子处于激发态的时间是非常短的，约为10－8秒。

激发系统在1秒内跃迁回基态的原子数目称为“跃迁机率”，通常以“A”表示。大多数同种原子的平均跃迁机率都有固定的数值。跃迁率A与平均寿命τ的关系：

A=1/τ

由于原子内部结构的特殊性，决定了各能级的平均寿命长短不等。例如红宝石中的铬离子E3的寿命非常短，只有10－9秒，而E2的寿命比较长，约为数秒。寿命较长的能级称为“亚稳态”。具有亚稳态原子、离子或分子的物质，是产生激光的工作物质，因亚稳态能更好地为粒子数反转创造条件。

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