Phát xạ kích thích và Độ lợi quang học

Phát xạ kích thích cho phép một photon kích thích một nguyên tử ở trạng thái kích thích phát ra một photon giống hệt, và một môi trường có sự đảo ngược mật độ dân số sẽ biến điều này thành độ lợi quang học ròng.

Definition

Quá trình một photon tới kích thích một nguyên tử ở trạng thái kích thích phát ra một photon thứ hai, giống hệt, và sự khuếch đại ánh sáng ròng thu được, hay độ lợi quang học, đạt được khi có nhiều nguyên tử chiếm mức năng lượng cao hơn mức năng lượng thấp hơn.

Scope

Chủ đề này bao gồm cơ sở vi mô của hoạt động laser. Nó bao gồm ba quá trình bức xạ là hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích, liên hệ với nhau bởi các hệ số Einstein; yêu cầu về sự đảo ngược mật độ dân số để khuếch đại ròng và lý do tại sao nó không thể xảy ra trong trạng thái cân bằng nhiệt; hệ số độ lợi và sự phụ thuộc của nó vào sự đảo ngược, tiết diện và hình dạng đường phổ; sự bão hòa của độ lợi ở cường độ cao; và các sơ đồ bơm, đặc biệt là hệ thống ba mức và bốn mức, được sử dụng để tạo và duy trì sự đảo ngược. Nó thiết lập cách một môi trường khuếch đại ánh sáng một cách mạch lạc.

Core questions

• Hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích liên quan với nhau như thế nào?
• Tại sao sự đảo ngược mật độ dân số lại cần thiết cho độ lợi quang học?
• Điều gì quyết định độ lớn của hệ số độ lợi?
• Các sơ đồ bơm tạo ra và duy trì sự đảo ngược mật độ dân số như thế nào?

Key concepts

• hấp thụ
• phát xạ tự phát
• phát xạ kích thích
• hệ số Einstein
• đảo ngược mật độ dân số
• hệ số độ lợi
• bão hòa độ lợi
• bơm ba và bốn mức

Key theories

Các hệ số Einstein A và B

Einstein đã chỉ ra vào năm 1917 rằng tốc độ phát xạ tự phát, phát xạ kích thích và hấp thụ được liên kết bởi các tỷ lệ cố định; sự tồn tại của phát xạ kích thích xuất phát từ yêu cầu nhất quán với bức xạ nhiệt.

Đảo ngược mật độ dân số và bão hòa độ lợi

Khuếch đại ròng yêu cầu nhiều nguyên tử ở mức năng lượng cao hơn mức năng lượng thấp hơn, chỉ có thể đạt được bằng cách bơm; khi cường độ quang học tăng lên, nó làm suy giảm sự đảo ngược, làm bão hòa độ lợi và ổn định đầu ra laser.

Clinical relevance

Độ lợi quang học là cơ sở của mọi laser y tế, và vật lý phát xạ kích thích tương tự, được làm suy giảm một cách có chủ đích, là nền tảng của kính hiển vi siêu phân giải suy giảm phát xạ kích thích (STED) được sử dụng trong nghiên cứu y sinh.

History

Bài báo năm 1917 của Einstein về lý thuyết lượng tử của bức xạ đã giới thiệu phát xạ kích thích và các hệ số mang tên ông. Ý tưởng này đã được biến thành một thiết bị vào những năm 1950 khi Townes và, độc lập, Basov và Prokhorov nhận ra sự khuếch đại bằng phát xạ kích thích của vi sóng, công trình được công nhận bởi Giải Nobel Vật lý năm 1964.

Key figures

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

Seminal works

• salehteich2019
• svelto2010

Frequently asked questions

Tại sao một vật liệu bình thường ở trạng thái cân bằng không thể khuếch đại ánh sáng?

Trong trạng thái cân bằng nhiệt, nhiều nguyên tử chiếm các mức năng lượng thấp hơn các mức năng lượng cao hơn, vì vậy hấp thụ vượt trội so với phát xạ kích thích và ánh sáng bị suy giảm; khuếch đại cần một sự đảo ngược mật độ dân số không cân bằng được tạo ra bằng cách bơm.

Điều gì đặc biệt về một photon kích thích?

Photon phát ra do phát xạ kích thích khớp với photon kích thích về tần số, hướng, pha và phân cực, đó là lý do tại sao ánh sáng khuếch đại có tính kết hợp.