2.2. Az abszorpció és emisszió jelenségei

Az atomok energetikai változásait a Bohr-féle posztulátumok határozzák meg. Ezek szerint:

1) Minden atomnak több olyan stacionárius állapota van, amelyben létezhet anélkül, hogy sugározna. Az atom energiaállapotát csak úgy változtathatja, ha egyik stacionárius állapotból másik stacionárius állapotba megy át.

2) A stacionárius energiaállapotok közötti átmeneteknél az emittált vagy az abszorbeált energiára teljesül a Bohr-féle frekvencia-feltétel: E₂-E₁=h∙v.

A fényabszorpció során egy atom kölcsönhatásba lép egy ρ(v) spektrális (frekvencia szerinti) eloszlású sugárzási térrel, melynek során magasabb energiájú állapotba kerül, oly módon, hogy külső foton befogása után elektronjaik egy magasabb energiaszintre ugranak.

Ha a részecskék a stabilis alapállapotból gerjesztett állapotba kerülnek, onnan – az energiaminimum elv alapján – igyekeznek visszakerülni alapállapotukba. A spontán emisszió során egy gerjesztett állapotban levő atom külső behatás nélküli visszatér egy alacsonyabb energiájú állapotba, miközben az energiakülönbségnek megfelelő energiájú fotont sugároz ki.

A hétköznapi életünk során leggyakrabban olyan fényforrásokkal találkozunk (Nap, izzólámpa), melyek statisztikus rendezetlenséggel különböző, elvileg bármilyen frekvenciájú és irányú fotont kibocsáthatnak (inkoherens sugárzás), amikor a gerjesztett elektronok alapállapotba kerülnek. Ezek a termikus fényforrások. Léteznek nem termikus fényforrások is, ilyenek például a gázkisülések, vagy a fluoreszkáló és foszforeszkáló anyagok spontán emissziója, ahol csak bizonyos elektronátmenetekre van lehetőség. Fényük közelítőleg egyszínű, a tér minden irányba kibocsátott hullámaik azonos frekvenciájúak, de eltérő fázisúak.

Indukált (kényszerített) emisszióról akkor beszélünk, amikor egy gerjesztett állapotbeli atom és a sugárzási tér kölcsönhatása következtében az atom alacsonyabb energiaszintre kerül és kisugároz egy, a beérkezővel azonos energiájú, hullámhosszú, fázisú, polarizációjú és terjedési irányú „hasonmás” fotont, miközben az indukált emissziót létrehozó foton is megmarad. Ez a jelenség képezi a lézerműködés alapját.

a) abszorpció	b) spontán emisszió	c) indukált emisszió
2.2. ábra   A fény-anyag kölcsönhatás elemi folyamatai.

Feltételezzük, hogy csak a két, számunkra fontos energiaszint közötti átmenetek léteznek. Egyensúly esetén, azaz, ha a szintek betöltöttsége időben állandó, ahány atom gerjesztődik abszorpció által adott idő alatt, ugyanannyi lesz az alapszintre visszaugrások száma, azaz:

abszorpció = spontán emisszió + indukált emisszió:

ahol N₁ az alap, N₂ pedig a gerjesztett állapotbeli atomok száma, ρ(ν) az adott közegben meglevő fotonok számával arányos. Az A₂₁, B₂₁ és a B₁₂ állandókat Einstein-együtthatóknak nevezik és alap esetben B₂₁=B_12.

Termikus egyensúlyban, az egyes energiaszintek betöltöttségét a Boltzmann-eloszlás adja meg. Az alacsonyabb energiaállapot mindig sokkal jobban be van töltve, mint a magasabb állapotok. Átlagos hőmérsékleten az atomoknál csak az alapállapot betöltött. Az indukált emisszió elhanyagolható.

Feltételezzük, hogy egy közegen keresztülhalad egy beeső fénynyaláb. Mivel B₂₁=B₁₂, hogy ha a két energiaállapotban adott pillanatban ugyanannyi atom van, akkor egy adott idő alatt abszorbeálódott fotonok száma és az indukált emisszióval kibocsátott fotonok száma megegyezik. Figyelembe véve, hogy az abszorpció gyengíti, az indukált emisszióval keletkező fotonok erősítik a nyalábot, a spontán emisszióval véletlenszerű irányban kisugárzott fotonok pedig a nyalábunk számára elhanyagolhatóak, a szintek betöltöttségétől függően három alapesetet különböztethetünk meg:

1. Boltzmann-eloszlás esetén, azaz amikor N₁ > N₂: az abszorpció a domináns.

2. Ha N₁=N₂, az abszorpciós események valószínűsége megegyezik az indukált emisszióéval, így  a belépő hullám gyengítetlenül halad át a rendszeren.

3. Ha N₁<N₂, a belépő hullámot az indukált emisszió erősíti.

Azt a metastabil (nemegyensúlyi) helyzetet, amikor több elektron tartózkodik a magasabb energiájú állapotban, mint ahány az alacsonyabb energiaszinten, populációinverziónak nevezzük. Ez a lézerműködés alapfeltétele, mert ez teszi lehetővé, hogy az indukált emisszió elnyomja a spontán emissziót, azaz a közegen keresztül haladó fénynyaláb felerősödjön.