自发发射 spontaneous emission

2022-10-25 14:28:49 浏览:222

定义

量子效应,引起原子或离子激发态的自发衰变。

当原子(或增益介质中的激光离子)被激发到更高的能级时,例如通过吸收光子,它可能在一段时间后自发地返回到其基态,或者通过以光子的形式释放能量而自发地返回到某个中间能级,光子以某种随机方向携带能量。(更准确地说,光子可以对应于原子或离子周围介质的任何传播模式。这个过程称为自发发射。

自发发射是一种量子效应。

自发发射是一种量子效应,在半经典图像中,它可以被描述为由真空噪声(即由光学场的零点波动)刺激的发射。这一观点得到了这样一个事实的支持,即通过将原子或离子置于微腔结构中可以抑制或改变自发发射,从而改变光场的模式结构。因此,人们不应该将自发发射视为由原子或离子“自由”完成的事情,而应该将其视为与受其环境影响的量子力学电磁场相互作用的结果。

自发发射速率(以及激发能级的寿命)由原子的性质和周围介质的模式结构决定。对于自由空间(或均匀介质)中的原子,过渡截面可用于计算自发发射事件的速率(→辐射寿命)。原子的典型上状态寿命是几纳秒,如果允许向较低水平过渡;对于禁止的转换,可能会出现更长的值。

自发发射产生的光称为发光。激光增益介质发出的发光通常携带的总功率约为激光输出功率的十分之一至三分之一。发光光的光谱基本上由过渡横截面控制。

激光器中自发发射的影响

自发发射在激光器的启动阶段非常重要,例如,当产生带Q开关的脉冲时。它为激光谐振器中激光辐射的积累提供了第一个“种子”。

在连续波激光器的启动阶段之后,自发发射仍然具有导致大量功率损失的重要效果:只需要施加的泵浦功率的很大一部分来替换自发发射损失的功率。(一个例外是在脉冲产生前不久具有脉冲泵浦的Q开关激光器。

自发发射对产生的激光辐射(启动后)的直接影响在光功率方面相当弱,但可以部分地将激光噪声的发生解释为自发发射的影响。

参考文献

[1] D. Kleppner, “Inhibited spontaneous emission”, Phys. Rev. Lett. 47 (4), 233 (1981), doi:10.1103/PhysRevLett.47.233
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量子光学

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