2.2.1 自发辐射

从经典力学的观点来讲，一个物体如果势能很高，它将是不稳定的。与此类似，当原子被激发到高能级E2时，它在高能级上是不稳定的，总是力图使自己处于低的能量状态E1。处于高能级E2的原子自发地向低能级跃迁，并发射出一个能量为hν=E2-E1的光子，这个过程称为自发辐射跃迁，如图2-2所示。

图2-2 自发辐射示意图

自发辐射跃迁过程用自发辐射跃迁概率A21描述。A21定义为单位时间内发生自发辐射跃迁的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的百分比为

式中，dn21为dt时间内自发辐射粒子数密度；n2为E2能级总粒子数密度；下标sp表示自发辐射跃迁。也可以说，A21是每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生自发辐射跃迁的概率。A21又称为自发辐射跃迁爱因斯坦系数。

由式（2-6）可得

式中，n20为起始时刻t=0时的粒子数密度。

原子停留在高能级E2的平均时间，称为原子在该能级的平均寿命，通常用τs表示，它等于原子数密度由起始值n20降到其所用的时间，由式（2-7）可推出

可见自发辐射跃迁爱因斯坦系数A21的大小与原子处在E2能级上的平均寿命τs有关。原子处在高能级的时间是非常短的，一般为10-8秒左右。由于原子以及离子、分子等内部结构的特殊性，各个能级的平均寿命是不一样的。例如，红宝石中铬离子的能级E3的寿命很短，只有10-9秒，而能级E2的寿命却很长，为几个毫秒，这些寿命较长的能级称为亚稳态。在氦原子、氖原子、氪原子、氩离子、铬离子、钕离子、二氧化碳分子，等等粒子中都有这种亚稳态能级，这些亚稳态能级的存在，提供了形成激光的重要条件。

自发辐射过程只与原子本身性质有关，而与外界辐射的作用无关。各个原子的辐射都是自发地、独立地进行的，因而各光子的初始相位、光子的传播方向和光子的振动方向等都是随机的，因而是非相干的。除激光器以外，普通光源的发光都属于自发辐射，因为自发辐射光是由这样许许多多杂乱无章的光子组成，所以普通光源发出的光，包含许多种波长成分，向四面八方传播，如阳光、灯光、火光等。