Вынужденное излучение и оптическое усиление

Вынужденное излучение позволяет одному фотону индуцировать возбужденный атом испускать идентичный фотон, а среда с инверсией населенностей превращает это в чистое оптическое усиление.

Definition

Процесс, при котором падающий фотон стимулирует возбужденный атом испускать второй, идентичный фотон, и результирующее чистое усиление света, или оптическое усиление, достигаемое, когда больше атомов занимают верхний уровень, чем нижний.

Scope

Эта тема охватывает микроскопические основы лазерного действия. Она включает три радиационных процесса: поглощение, спонтанное излучение и вынужденное излучение, связанные коэффициентами Эйнштейна; требование инверсии населенностей для чистого усиления и почему оно не может происходить в тепловом равновесии; коэффициент усиления и его зависимость от инверсии, поперечного сечения и формы линии; насыщение усиления при высокой интенсивности; а также схемы накачки, в частности трехуровневые и четырехуровневые системы, используемые для создания и поддержания инверсии. Она устанавливает, как среда когерентно усиливает свет.

Core questions

• Как связаны между собой поглощение, спонтанное и вынужденное излучение?
• Почему инверсия населенностей необходима для оптического усиления?
• Что определяет величину коэффициента усиления?
• Как схемы накачки создают и поддерживают инверсию населенностей?

Key concepts

• поглощение
• спонтанное излучение
• вынужденное излучение
• коэффициенты Эйнштейна
• инверсия населенностей
• коэффициент усиления
• насыщение усиления
• трех- и четырехуровневая накачка

Key theories

Коэффициенты Эйнштейна A и B

Эйнштейн показал в 1917 году, что скорости спонтанного излучения, вынужденного излучения и поглощения связаны фиксированными соотношениями; существование вынужденного излучения следует из требования согласованности с тепловым излучением.

Инверсия населенностей и насыщение усиления

Чистое усиление требует большего числа атомов на верхнем уровне, чем на нижнем, что достижимо только путем накачки; по мере роста оптической интенсивности она истощает инверсию, насыщая усиление и стабилизируя выходную мощность лазера.

Clinical relevance

Оптическое усиление является основой каждого медицинского лазера, и та же физика вынужденного излучения, намеренно ослабленная, лежит в основе микроскопии сверхвысокого разрешения с истощением стимулированного излучения (STED), используемой в биомедицинских исследованиях.

History

Статья Эйнштейна 1917 года по квантовой теории излучения ввела вынужденное излучение и коэффициенты, носящие его имя. Идея была воплощена в устройстве в 1950-х годах, когда Таунс и, независимо, Басов и Прохоров реализовали усиление посредством вынужденного излучения микроволн, работа, отмеченная Нобелевской премией по физике 1964 года.

Key figures

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

Seminal works

• salehteich2019
• svelto2010

Frequently asked questions

Почему обычный материал в равновесии не может усиливать свет?

В тепловом равновесии больше атомов занимают более низкие энергетические уровни, чем верхние, поэтому поглощение превосходит вынужденное излучение, и свет ослабляется; для усиления необходима неравновесная инверсия населенностей, создаваемая накачкой.

Что особенного в стимулированном фотоне?

Фотон, испускаемый в результате вынужденного излучения, соответствует стимулирующему фотону по частоте, направлению, фазе и поляризации, поэтому усиленный свет является когерентным.