受激发射与光增益

受激发射使一个光子诱导处于激发态的原子发射一个相同的光子，而具有粒子数反转的介质则将此转化为净光增益。

Definition

入射光子刺激激发态原子发射第二个相同光子的过程，以及当处于上能级的原子多于下能级时所实现的净光放大或光增益。

Scope

本主题涵盖激光作用的微观基础。它包括吸收、自发发射和受激发射这三种辐射过程，它们通过爱因斯坦系数相互关联；实现净放大所需的粒子数反转及其在热平衡中无法发生的原因；增益系数及其对粒子数反转、截面和线形线的依赖性；高强度下的增益饱和；以及用于产生和维持粒子数反转的泵浦方案，特别是三能级和四能级系统。它阐明了介质如何相干地放大光。

Core questions

• 吸收、自发发射和受激发射之间有何关联？
• 为什么粒子数反转对于光增益是必需的？
• 什么决定了增益系数的大小？
• 泵浦方案如何产生和维持粒子数反转？

Key concepts

• 吸收
• 自发发射
• 受激发射
• 爱因斯坦系数
• 粒子数反转
• 增益系数
• 增益饱和
• 三能级和四能级泵浦

Key theories

爱因斯坦A和B系数

爱因斯坦在1917年指出，自发发射、受激发射和吸收的速率通过固定比率相互关联；受激发射的存在是要求与热辐射保持一致的结果。

粒子数反转和增益饱和

净放大需要上能级中的原子多于下能级，这只能通过泵浦实现；随着光强度的增加，它会耗尽粒子数反转，使增益饱和并稳定激光输出。

Clinical relevance

光增益是所有医用激光的基础，而相同的受激发射物理原理，在被刻意耗尽的情况下，是生物医学研究中使用的受激发射损耗（STED）超分辨显微镜的基础。

History

爱因斯坦1917年关于辐射量子理论的论文引入了受激发射和以他名字命名的系数。1950年代，这一思想被转化为器件，当时汤斯（Townes）以及独立工作的巴索夫（Basov）和普罗霍罗夫（Prokhorov）实现了微波的受激发射放大，这项工作获得了1964年诺贝尔物理学奖的认可。

Key figures

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

Seminal works

• salehteich2019
• svelto2010

Frequently asked questions

为什么处于平衡状态的普通材料不能放大光？

在热平衡中，处于较低能级的原子多于较高能级的原子，因此吸收大于受激发射，光被衰减；放大需要通过泵浦产生的非平衡粒子数反转。

受激光子有什么特别之处？

受激发射产生的光子在频率、方向、相位和偏振方面与刺激光子匹配，这就是放大光具有相干性的原因。