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受激发射的原理

2023.1.10

受激发射(stimulated emission)是产生激光的重要步骤。激光工作物质的两个能级E2和E1满足辐射跃迁的选择定则,当处于高能级E2的粒子受到光子能量为ε=hν=E2-E1的光照射时,粒子会由于这种入射光的刺激而发射与入射光子一模一样的光子,而跃迁到低能级E1。也就是说,粒子跃迁发射的光与入射光二者的频率都是:

ν=(E2-E1)/h

且有相同的偏振方向和传播方向,它们是相干的。这个过程称为光的受激发射。

设在时刻t处于高能级E2上粒子数密度为N2(t),频率为ν的入射光的单色辐射能量密度为ρν,在t至t+dt时间内单位体积中从高能级E2受激发射而跃迁到低能级E1的粒子数dN21为:

dN21=B21N2ρνdt

B21称为受激发射系数,它是粒子能级系统的特征参量。如记W21=B21ρν,则有

W21=B21ρν=dN21/N2dt

即W21是单位时间内,在单色辐射能量密度ρν的光照射下,由于受激发射跃迁到低能级E1的粒子数在能级E2总粒子数中所占的比例。也就是E2能级上每一个粒子在单位时间内发生受激发射的概率。所以W21称为受激发射跃迁概率。它与ρν成正比,而不像自发发射跃迁概率A21那样对一确定的能级系统是一常数。


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