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吸収、誘導、非放射遷移

ここでは2 準位系における光の吸収と放出を学ぶ。

吸収(absorption)、自然放出(spontaneous emission)、誘導放出(stimulated emission)

図1 吸収(absorption)、自然放出(spontaneous emission)、誘導放出(stimulated emission)

図1 は原子分布密度N1、準位の縮退数g1のエネルギー準位E1(基底準位) と、原子分布密度N2、準位の縮退数g2のエネルギー準位E2からなる2 準位系における光の吸収と放出を示している。

吸収

準位E1の原子はある確率で光子を 誘導吸収(stimulated absorption;または単に吸収と呼ぶ) し、E2に遷移(吸収遷移) する。光子の吸収のしやすさのパラメータは、吸収の遷移確率B12として定義されている。このBjiはアインシュタインのB係数とも呼ばれる。

自然放出

準位E2に励起された原子は、励起後ある時間(寿命τ21) が経過すると、自然に周波数ν の光子(自然放出光) を放出して、よりエネルギーが低く安定な準位E1に 遷移する。この自発的(spontaneous) な光の放出過程を自然放出(spontaneous emission) と言う。自然放出光はランダムな偏光と位相をもつためレーザーにおいては雑音となるが、この自然放出光がレーザー光の種となる。光子の放出のしやすさのパ ラメータは放出の遷移確率A21として定義されている。このAijはアインシュタインのA 係数とも呼ばれる。自然放出光の寿命τ とA 係数は逆数の関係にある。

誘導放出

準位E2に励起された原子に、さらに振動数ν の光子が入射すると、それに誘導されて(stimulated) 原子は光子の入射方向と同方向に同位相・同モードの光子を放出する。これが誘導放出(stimulated emission) である。誘導放出は光の増幅(light amplification) の原理であり、レーザー(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation:LASER) に直接作用する過程である。誘導放出のしやすさのパラメータは、遷移確率B21として定義されており、吸収の遷移確率B12と準位の縮退数を用いてg1B12 = g2B21の関係がある。レーザー発振に寄与する誘導放出の遷移はレーザー遷移と呼ばれ、そのときのエネルギー上準位をレーザー上準位、エネルギー下準位をレーザー下準位と呼ぶ。

非放射遷移

非放射遷移エネルギー上準位から下準位への遷移において、格子振動にエネルギーを放出する場合があるが、これを非放射遷移と呼ぶ。自然放出と非放射遷移のどちらが起こりやすいかは物質によって決まっている。



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