유도 방출 및 광학 이득

유도 방출은 하나의 광자가 여기된 원자가 동일한 광자를 방출하도록 유도하며, 개수 역전이 있는 매질은 이를 순 광학 이득으로 전환합니다.

Definition

입사 광자가 여기된 원자를 자극하여 두 번째 동일한 광자를 방출하게 하는 과정과, 하위 준위보다 상위 준위에 더 많은 원자가 존재할 때 달성되는 결과적인 순 빛 증폭 또는 광학 이득.

Scope

이 주제는 레이저 작용의 미시적 기반을 다룹니다. 여기에는 아인슈타인 계수로 관련된 흡수, 자발 방출, 유도 방출의 세 가지 복사 과정; 순 증폭을 위한 개수 역전의 필요성과 열 평형에서 발생할 수 없는 이유; 이득 계수와 그것이 역전, 단면적 및 선폭에 의존하는 방식; 고강도에서의 이득 포화; 그리고 역전을 생성하고 유지하는 데 사용되는 3단계 및 4단계 시스템과 같은 펌핑 방식이 포함됩니다. 이는 매질이 빛을 일관되게 증폭하는 방법을 확립합니다.

Core questions

• 흡수, 자발 방출 및 유도 방출은 서로 어떻게 관련되어 있습니까?
• 광학 이득에 개수 역전이 왜 필요합니까?
• 이득 계수의 크기는 무엇에 의해 결정됩니까?
• 펌핑 방식은 어떻게 개수 역전을 생성하고 유지합니까?

Key concepts

• 흡수
• 자발 방출
• 유도 방출
• 아인슈타인 계수
• 개수 역전
• 이득 계수
• 이득 포화
• 3단계 및 4단계 펌핑

Key theories

아인슈타인 A 및 B 계수

아인슈타인은 1917년에 자발 방출, 유도 방출 및 흡수율이 고정된 비율로 연결되어 있음을 보여주었습니다. 유도 방출의 존재는 열 복사와의 일관성을 요구함으로써 도출됩니다.

개수 역전 및 이득 포화

순 증폭은 하위 준위보다 상위 준위에 더 많은 원자를 필요로 하며, 이는 펌핑에 의해서만 달성될 수 있습니다. 광 강도가 증가함에 따라 역전을 고갈시켜 이득을 포화시키고 레이저 출력을 안정화합니다.

Clinical relevance

광학 이득은 모든 의료용 레이저의 기본이며, 의도적으로 고갈된 동일한 유도 방출 물리학은 생의학 연구에 사용되는 유도 방출 고갈(STED) 초고해상도 현미경의 기반이 됩니다.

History

아인슈타인의 1917년 복사 양자 이론에 관한 논문은 유도 방출과 그의 이름을 딴 계수를 소개했습니다. 이 아이디어는 1950년대 타운스와 독립적으로 바소프와 프로호로프가 마이크로파의 유도 방출에 의한 증폭을 실현하면서 장치로 전환되었으며, 이 연구는 1964년 노벨 물리학상으로 인정받았습니다.

Key figures

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

Seminal works

• salehteich2019
• svelto2010

Frequently asked questions

평형 상태의 일반적인 물질은 왜 빛을 증폭할 수 없습니까?

열 평형 상태에서는 상위 에너지 준위보다 하위 에너지 준위에 더 많은 원자가 존재하므로 흡수가 유도 방출보다 우세하여 빛이 감쇠됩니다. 증폭에는 펌핑에 의해 생성되는 비평형 개수 역전이 필요합니다.

유도된 광자의 특별한 점은 무엇입니까?

유도 방출에 의해 방출된 광자는 주파수, 방향, 위상 및 편광에서 자극하는 광자와 일치하며, 이것이 증폭된 빛이 일관성을 갖는 이유입니다.