2.2.1 自發輻射

從經典力學的觀點來講，一個物體如果勢能很高，它將是不穩定的。與此類似，當原子被激發到高能級E2時，它在高能級上是不穩定的，總是力圖使自己處于低的能量狀態E1。處于高能級E2的原子自發地向低能級躍遷，并發射出一個能量為hν=E2-E1的光子，這個過程稱為自發輻射躍遷，如圖2-2所示。

自發輻射躍遷過程用自發輻射躍遷概率A21描述。A21定義為單位時間內發生自發輻射躍遷的粒子數密度占處于E2能級總粒子數密度的百分比為

式中，dn21為dt時間內自發輻射粒子數密度；n2為E2能級總粒子數密度；下標sp表示自發輻射躍遷。也可以說，A21是每一個處于E2能級的粒子在單位時間內發生自發輻射躍遷的概率。A21又稱為自發輻射躍遷愛因斯坦系數。

由式（2-6）可得

式中，n20為起始時刻t=0時的粒子數密度。

原子停留在高能級E2的平均時間，稱為原子在該能級的平均壽命，通常用τs表示，它等于原子數密度由起始值n20降到其所用的時間，由式（2-7）可推出

可見自發輻射躍遷愛因斯坦系數A21的大小與原子處在E2能級上的平均壽命τs有關。原子處在高能級的時間是非常短的，一般為10-8秒左右。由于原子以及離子、分子等內部結構的特殊性，各個能級的平均壽命是不一樣的。例如，紅寶石中鉻離子的能級E3的壽命很短，只有10-9秒，而能級E2的壽命卻很長，為幾個毫秒，這些壽命較長的能級稱為亞穩態。在氦原子、氖原子、氪原子、氬離子、鉻離子、釹離子、二氧化碳分子，等等粒子中都有這種亞穩態能級，這些亞穩態能級的存在，提供了形成激光的重要條件。

自發輻射過程只與原子本身性質有關，而與外界輻射的作用無關。各個原子的輻射都是自發地、獨立地進行的，因而各光子的初始相位、光子的傳播方向和光子的振動方向等都是隨機的，因而是非相干的。除激光器以外，普通光源的發光都屬于自發輻射，因為自發輻射光是由這樣許許多多雜亂無章的光子組成，所以普通光源發出的光，包含許多種波長成分，向四面八方傳播，如陽光、燈光、火光等。