การเปล่งแสงแบบกระตุ้นและการขยายแสง

การเปล่งแสงแบบกระตุ้นทำให้โฟตอนหนึ่งตัวสามารถกระตุ้นอะตอมที่อยู่ในสถานะกระตุ้นให้ปล่อยโฟตอนที่เหมือนกันออกมา และตัวกลางที่มีภาวะประชากรผกผันจะเปลี่ยนสิ่งนี้ให้เป็นการขยายแสงสุทธิ

Definition

กระบวนการที่โฟตอนตกกระทบกระตุ้นอะตอมที่อยู่ในสถานะกระตุ้นให้ปล่อยโฟตอนที่สองซึ่งเหมือนกันออกมา และการขยายแสงสุทธิที่เกิดขึ้น หรือการขยายแสง ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อมีอะตอมอยู่ในระดับพลังงานบนมากกว่าระดับพลังงานล่าง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมพื้นฐานระดับจุลภาคของการทำงานของเลเซอร์ ซึ่งรวมถึงกระบวนการแผ่รังสีสามแบบ ได้แก่ การดูดกลืน การเปล่งแสงแบบธรรมชาติ และการเปล่งแสงแบบกระตุ้น ซึ่งมีความสัมพันธ์กันโดยสัมประสิทธิ์ของไอน์สไตน์ ข้อกำหนดของภาวะประชากรผกผันสำหรับการขยายแสงสุทธิและเหตุผลที่สิ่งนี้ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ในสมดุลทางความร้อน สัมประสิทธิ์การขยายแสงและการขึ้นอยู่กับภาวะประชากรผกผัน พื้นที่หน้าตัด และรูปร่างเส้น การอิ่มตัวของการขยายแสงที่ความเข้มสูง และแผนการปั๊มพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งระบบสามระดับและสี่ระดับที่ใช้ในการสร้างและรักษาสภาวะประชากรผกผัน ซึ่งจะแสดงให้เห็นว่าตัวกลางสามารถขยายแสงได้อย่างสอดคล้องกันได้อย่างไร

Core questions

• การดูดกลืน การเปล่งแสงแบบธรรมชาติ และการเปล่งแสงแบบกระตุ้นมีความสัมพันธ์กันอย่างไร?
• เหตุใดภาวะประชากรผกผันจึงจำเป็นสำหรับการขยายแสง?
• อะไรเป็นตัวกำหนดขนาดของสัมประสิทธิ์การขยายแสง?
• แผนการปั๊มพลังงานสร้างและรักษาสภาวะประชากรผกผันได้อย่างไร?

Key concepts

• การดูดกลืน
• การเปล่งแสงแบบธรรมชาติ
• การเปล่งแสงแบบกระตุ้น
• สัมประสิทธิ์ของไอน์สไตน์
• ภาวะประชากรผกผัน
• สัมประสิทธิ์การขยายแสง
• การอิ่มตัวของการขยายแสง
• การปั๊มพลังงานแบบสามและสี่ระดับ

Key theories

สัมประสิทธิ์ A และ B ของไอน์สไตน์

ไอน์สไตน์แสดงให้เห็นในปี 1917 ว่าอัตราการเปล่งแสงแบบธรรมชาติ การเปล่งแสงแบบกระตุ้น และการดูดกลืน มีความเชื่อมโยงกันด้วยอัตราส่วนที่คงที่ การมีอยู่ของการเปล่งแสงแบบกระตุ้นเป็นผลมาจากการต้องมีความสอดคล้องกับรังสีความร้อน

ภาวะประชากรผกผันและการอิ่มตัวของการขยายแสง

การขยายแสงสุทธิจำเป็นต้องมีอะตอมในระดับพลังงานบนมากกว่าระดับพลังงานล่าง ซึ่งสามารถทำได้โดยการปั๊มพลังงานเท่านั้น เมื่อความเข้มของแสงเพิ่มขึ้น จะทำให้ภาวะประชากรผกผันลดลง ทำให้การขยายแสงอิ่มตัวและทำให้เอาต์พุตของเลเซอร์มีเสถียรภาพ

Clinical relevance

การขยายแสงเป็นพื้นฐานของเลเซอร์ทางการแพทย์ทุกชนิด และฟิสิกส์ของการเปล่งแสงแบบกระตุ้นเดียวกันนี้ ซึ่งถูกทำให้ลดลงโดยเจตนา เป็นพื้นฐานของกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูงพิเศษแบบกระตุ้นการเปล่งแสงที่ลดลง (STED) ที่ใช้ในการวิจัยทางชีวการแพทย์

History

บทความของไอน์สไตน์ในปี 1917 เกี่ยวกับทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีได้นำเสนอการเปล่งแสงแบบกระตุ้นและสัมประสิทธิ์ที่ตั้งชื่อตามเขา แนวคิดนี้ถูกนำมาพัฒนาเป็นอุปกรณ์ในช่วงทศวรรษ 1950 เมื่อทาวน์ส และแยกกัน บาซอฟและโปรโครอฟ ได้ตระหนักถึงการขยายสัญญาณด้วยการเปล่งแสงแบบกระตุ้นของไมโครเวฟ ซึ่งเป็นผลงานที่ได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1964

Key figures

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

Seminal works

• salehteich2019
• svelto2010

Frequently asked questions

เหตุใดวัสดุปกติที่อยู่ในสมดุลจึงไม่สามารถขยายแสงได้?

ในสมดุลทางความร้อน อะตอมส่วนใหญ่จะอยู่ในระดับพลังงานที่ต่ำกว่าระดับพลังงานที่สูงกว่า ดังนั้นการดูดกลืนจึงมีมากกว่าการเปล่งแสงแบบกระตุ้นและแสงจะถูกลดทอน การขยายแสงจำเป็นต้องมีภาวะประชากรผกผันที่ไม่สมดุลซึ่งเกิดจากการปั๊มพลังงาน

โฟตอนที่ถูกกระตุ้นมีความพิเศษอย่างไร?

โฟตอนที่ปล่อยออกมาจากการเปล่งแสงแบบกระตุ้นจะตรงกับโฟตอนที่กระตุ้นในด้านความถี่ ทิศทาง เฟส และโพลาไรเซชัน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมแสงที่ขยายจึงมีความสอดคล้องกัน