Индуцированное излучение

Индуцированное излучение

Рассмотрим два энергетических состояния атома: основное состояние с энергией E1 и возбуждённое состояние с энергией E2 > E1. Переходя из возбуждённого состояния в основное, атом излучает фотон с энергией hν = E2 − E1.

Если возбуждённый атом предоставлен сам себе, то он переходит в основное состояние самопроизвольно. Момент перехода предсказать невозможно, и потому излучение в этом случае называется спонтанным. Спонтанное излучение различных атомов является некогерентным, поскольку атомы излучают совершенно независимо друг от друга.

Оказывается, однако, что атом можно заставить излучить фотон, вынудив соскок электрона с верхнего уровня на нижний. Это произойдёт под действием внешнего электромагнитного поля, частота которого совпадает с частотой перехода ν = (E2 −E1)/h. Эффект аналогичен явлению резонанса при вынужденных колебаниях; в качестве вынуждающей силы выступает при этом электромагнитное поле.

Рисунок 1. Индуцированное излучение

Левая часть рисунка соответствует начальной ситуации, когда на возбуждённый атом, находящийся в состоянии с энергией E2, падает фотон, энергия hν которого в точности равна разности ∆E = E2 − E1 энергий возбуждённого и основного состояний.

Средняя часть рисунка показывает вынужденный переход атома в основное состояние: под воздействием падающего фотона электрон соскакивает с верхнего уровня на нижний.

В правой части рисунка мы видим результат этого соскока. Падающий фотон никуда не делся, а атом, перейдя в основное состояние, излучил ещё один фотон, тождественный падающему фотону. Таким образом, вместо одного падающего фотона «на входе» возникло два фотона-близнеца «на выходе».

Итак, в результате индуцированного излучения атом испускает монохроматическую волну, совпадающую с падающей волной по частоте и фазе. Эти две волны, интерферируя, усиливают друг друга! Именно этот эффект усиления света используется в лазере.