前沿物理学

激光与光–物质相互作用

激光利用粒子数反转介质中的受激辐射；共振决定电磁场与物质的能量交换。

激光利用粒子数反转介质中的受激辐射；共振决定电磁场与物质的能量交换。

模型与解释

能级E₁<E₂与满足hν=E₂−E₁的光子共振。入射光子可被吸收，也可诱发频率、相位、方向和偏振匹配的辐射。激光要求增益超过损耗，通常靠泵浦形成粒子数反转并以光腔反馈。

快速检测

在受泵浦的二能级介质中，增益正比于粒子数反转 $N_2-N_1$；若无反转，吸收将超过受激辐射。共振光子诱发跃迁并发射频率、相位和方向相同的第二个光子，谐振腔则选择反馈强的模式。光学Bloch方程耦合光场与物质极化；当Rabi频率不远小于线宽时，Rabi振荡和饱和等非线性响应不可忽略。

半经典模型把电磁场作经典处理而保留物质能级量子化；当波长远大于原子尺寸时，偶极近似有效。弱场下线性响应产生频率依赖的极化；近共振时吸收与色散急剧变化。强场则需用密度矩阵动力学描述饱和、自发辐射和模式竞争。

有限线宽限制相干性并决定增益带宽；要维持激光自激振荡，腔损耗必须小于往返增益。短激光脉冲因时频关系而具有宽频谱，可产生飞秒脉冲。强场相互作用还会产生AC斯塔克位移和多光子过程。