受激发射

激光是受激辐射的一种

受激辐射（英语：Stimulated emission）是激光的主要光源。受激辐射的光放大（英语：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）缩写就是“LASER”。受激辐射概念是由阿尔伯特·爱因斯坦在他1917年发表的论文《关于辐射的量子理论》中提出的；大约10年后，英国著名物理学家、剑桥大学教授保罗·狄拉克首次实验证明受激辐射的存在。

定义

在说明受激发射之前需先了解原子的能级之概念，其中发出光最重要的就是所谓跃迁。

• 原子结构
  • 原子基本上由原子核、电子组成。若有外来能量使电子与原子核的距离增大，则内能增加；反之减少。
• 原子能级
  • 波尔假说：原子存在某些定态，在这些定态时不发出也不吸收电磁辐射，原子定态能量只能采取某些分立值E1、E2等，这些定态能量的值称为能级。
  • 电子通过能级跃迁可以改变其轨道，离原子核较远的轨道具有较高的能级。当电子从离原子核较远的轨道（高能级）跃迁到离原子核较近的轨道（低能级）上时将会发射出光子。反之，吸收光子或声子，可使电子自较低能级轨道跃迁到较高能级的轨道。每个跃迁对应一个特定的能量和波长。

与跃迁对应的高能级能量E2和低能级能量E1 满足关系式：$E_{2}-E_{1}={h}{\nu }={\frac {hc}{\lambda }}$

• 上式中 c指真空中的光速，$c=3*10^{8}$m/s，λ为波长，ν为频率，h为普朗克常数；$h=6.62*10^{-34}$ J．s

发光

正常情况下，大多数粒子处于基态，要使这些粒子产生辐射作用，必须把处于基态的粒子激发到高能级上去。由于原子内部结构不同，相同的外界条件使原子从基态激发到各高能级的概率不同。通常把原子、分子或离子激发到某一能级上的可能性称为这一能级的“激发概率”。

理论研究表明，光的发射过程分为两种，一种是在没有外来光子的情况下，处于高能级E2的一个原子自发地向低能级E1跃迁，并发射一个能量为E2-E1的光子，这种过程称为“自发跃迁”；由原子自发跃迁发出的光波称为自发发射。

另一种发射过程是处于高能级E2上的原子，在频率为ν的辐射场作用下，跃迁至低能级E1并辐射一个能量为E2-E1（=hν），与激励光子完全相同的光子，这种过程称为受激发射跃迁；受激发射跃迁发出的光波，称为受激发射。

受激发射与自发发射最重要的区别在于干涉性。自发发射是原子在不受外界辐射场控制情况下的自发过程，大量原子的自发辐射场的相位是不干涉的，辐射场的传播方向和偏振态也是无规分布，而受激发射是在外界辐射场控制下的发光过程。因此，受激辐射场的频率、相位、传播方向和偏振态与外界辐射场完全相同。激光就是一种受激发射的干涉光。

受激发射跃迁概率

$W_{21}=\left[{\frac {dN_{21}}{dt}}\right]_{st}*{\frac {1}{N_{2}}}=B_{21}{\boldsymbol {\rho }}\nu$
$W_{21}$定义为单位时间内，$N_{2}$个高能级原子中发生跃迁的原子数与$N_{2}$之比
$B_{21}$为受激发射跃迁爱因斯坦系数，为辐射场单色能量密度。单位体积内，频率处于ν附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量。

受激发射跃迁概率不仅与原子性质有关，还与辐射场的ρν有关。