Stimulierte Emission und optische Verstärkung

Stimulierte Emission ermöglicht es einem Photon, ein angeregtes Atom zur Emission eines identischen Photons anzuregen, und ein Medium mit Besetzungsinversion wandelt dies in eine optische Nettoverstärkung um.

Definition

Der Prozess, bei dem ein einfallendes Photon ein angeregtes Atom zur Emission eines zweiten, identischen Photons anregt, und die daraus resultierende Nettoverstärkung des Lichts oder optische Verstärkung, die erreicht wird, wenn mehr Atome das obere Energieniveau als das untere besetzen.

Scope

Dieses Thema behandelt die mikroskopische Grundlage der Laserwirkung. Es umfasst die drei Strahlungsprozesse Absorption, spontane Emission und stimulierte Emission, die durch die Einstein-Koeffizienten miteinander verbunden sind; die Notwendigkeit einer Besetzungsinversion für die Nettoverstärkung und warum diese im thermischen Gleichgewicht nicht auftreten kann; den Verstärkungskoeffizienten und seine Abhängigkeit von der Inversion, dem Wirkungsquerschnitt und der Linienform; die Sättigung der Verstärkung bei hoher Intensität; und die Pumpschemata, insbesondere Drei- und Vier-Niveau-Systeme, die zur Erzeugung und Aufrechterhaltung der Inversion verwendet werden. Es wird dargelegt, wie ein Medium Licht kohärent verstärkt.

Core questions

• Wie hängen Absorption, spontane und stimulierte Emission zusammen?
• Warum ist eine Besetzungsinversion für die optische Verstärkung notwendig?
• Was bestimmt die Größe des Verstärkungskoeffizienten?
• Wie erzeugen und erhalten Pumpschemata eine Besetzungsinversion?

Key concepts

• Absorption
• spontane Emission
• stimulierte Emission
• Einstein-Koeffizienten
• Besetzungsinversion
• Verstärkungskoeffizient
• Verstärkungssättigung
• Drei- und Vier-Niveau-Pumpen

Key theories

Einstein A- und B-Koeffizienten

Einstein zeigte 1917, dass die Raten der spontanen Emission, der stimulierten Emission und der Absorption durch feste Verhältnisse miteinander verbunden sind; die Existenz der stimulierten Emission ergibt sich aus der Forderung nach Konsistenz mit der thermischen Strahlung.

Besetzungsinversion und Verstärkungssättigung

Eine Nettoverstärkung erfordert mehr Atome im oberen als im unteren Energieniveau, was nur durch Pumpen erreicht werden kann; wenn die optische Intensität zunimmt, verringert sie die Inversion, sättigt die Verstärkung und stabilisiert die Laserleistung.

Clinical relevance

Die optische Verstärkung ist die Grundlage jedes medizinischen Lasers, und dieselbe Physik der stimulierten Emission, die bewusst reduziert wird, liegt der STED-Superauflösungsmikroskopie (Stimulated Emission Depletion) zugrunde, die in der biomedizinischen Forschung eingesetzt wird.

History

Einsteins Arbeit von 1917 über die Quantentheorie der Strahlung führte die stimulierte Emission und die Koeffizienten ein, die seinen Namen tragen. Die Idee wurde in den 1950er Jahren in ein Gerät umgesetzt, als Townes und, unabhängig davon, Basov und Prochorow die Verstärkung durch stimulierte Emission von Mikrowellen realisierten, eine Arbeit, die 1964 mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt wurde.

Key figures

• Albert Einstein
• Charles H. Townes
• Nikolay Basov
• Aleksandr Prokhorov

Seminal works

• salehteich2019
• svelto2010

Frequently asked questions

Warum kann ein normales Material im Gleichgewicht kein Licht verstärken?

Im thermischen Gleichgewicht besetzen mehr Atome niedrigere Energieniveaus als höhere, sodass die Absorption die stimulierte Emission überwiegt und Licht gedämpft wird; zur Verstärkung ist eine Nicht-Gleichgewichts-Besetzungsinversion erforderlich, die durch Pumpen erzeugt wird.

Was ist das Besondere an einem stimulierten Photon?

Das durch stimulierte Emission emittierte Photon stimmt mit dem stimulierenden Photon in Frequenz, Richtung, Phase und Polarisation überein, weshalb das verstärkte Licht kohärent ist.