Вынужденное излучение

Возбуждённый атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней энергии, излучив при этом квант света. Световые волны, излучаемые нагретыми телами, формируются именно в результате таких спонтанных переходов атомов и молекул. Спонтанное излучение различных атомов некогерентно. Однако, помимо спонтанного испускания, существуют излучательные акты др. рода. При распространении в среде световой волны с частотой, соответствующей разности каких-либо двух энергетических уровней атомов или молекул среды к спонтанному испусканию частиц добавляются др. радиационные процессы.

Так, в лазере генерация достигается за счет индуцированного излучения на некотором переходе между уровнями квантовой системы. Рисунок 1 демонстрирует возможные переходы в простейшей двухуровневой системе, как вызванные полем (поглощение и индуцированное излучение), так и не зависящие от него (спонтанное излучение и безизлучательная релаксация).

рис.1

В отсутствие внешнего поля спонтанное излучение и безизлучательные релаксационные процессы определяют время жизни частицы в возбужденном состоянии (τ и τ₁ на рис. 1) Из-за конечности этого времени (и из-за других причин, например доплеровского смещения частоты для движущихся микрочастиц) линия излучения, соответствующая переходу, оказывается уширенной.

Обозначенные на рисунке 1 вероятности имеют вид W₁₂=B₂₁ρS(ν), W₂₁=B₁₂ρS(ν) и зависят как от свойств квантовой системы (через коэффициенты Эйнштейна B₂₁ и B₁₂), так и от приложенного поля - объемной плотности его энергии и совпадения частоты поля с центральной частотой перехода ν₀, что учитывается специальной функцией S(ν). При одинаковой степени вырождения уровней B₂₁ = B₁₂ , W₂₁ = W₁₂.

При этом, чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, то есть число переходов вниз W₂₁n₂ было больше числа переходов вверх W₁₂n₁, необходимо, чтобы n₂ > n₁: на верхнем уровне частиц должно быть больше, чем на нижнем.