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【为什么光子有两种独立的偏振状态】受激辐射的概念最早由爱因斯坦于1917年提出,不过在此之前,普朗克(Max Planck)用辐射量子化假设成功解释了黑体辐射分布规律(1900年),波尔(Niels Bohr)也提出了原子中电子运动状态的量子化假设(1913年),在这些工作的基础上,爱因斯坦从光量子的角度出发,重新推导了黑体辐射的普朗克公式,并在推导中提出了两个极为重要的概念:受激辐射和自发辐射 。
自发辐射:处于高能级E2的一个原子自发的向E1跃迁,并发射一个能量为hv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辐射 。
受激辐射:处于上能级E2的原子在频率为v的辐射场作用下,跃迁至低能态E1并辐射一个能量为hv的光子 。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射 。
受激辐射和自发辐射中,有一个极为重要的区别,就是相干性 。
正如上文所述,自发辐射是原子在不受外界辐射场控制下的自发过程,因而大量的原子自发辐射场的相位呈无规则分布,因而是不相干的,除此之外,自发辐射场的传播方向和偏振方向也是无规则分布的 。
而受激辐射是外界辐射场的控制下的发光过程,因而各原子的受激辐射相位不再是无规则分布,而应该与外界辐射场同相位,或者说,受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、波矢和偏振 。特别的是,大量原子在同一辐射场激发下产生的受激辐射处于同一光波模或同一光子态,因而是相干的 。
除此之外,经典电子论模型也可以帮助你理解这一概念:
按照经典电子论模型,原子的自发辐射源自原子中电子的自发阻尼振荡,没有任何其他外加光电场来同步各个原子的自发阻尼振荡,因而电子振荡发出的自发辐射是相位无关的 。而受激辐射对应于电子在外加光电场作用下作强迫振荡时的辐射,电子强迫振荡的频率、相位、振动方向显然应与外加光电场一致 。因而,强迫振动电子发出的受激辐射应与外加光电辐射场具有相同的频率、相位、传播方向和偏振状态 。
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