吸収、自然放出、誘導放出、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。

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。