自发发射和受激发射的区别和联系

自发发射和受激发射这两个术语有时会混淆。热发射这个术语有时也会被混入其中。以下是帮助理清问题的基本定义以及测量这些参数的程序。

当我们谈到自发或受激发射时，我们指的是电子从激发态降至较低态并发射光子的原子。具体来说，电子发射光子，然后从原子核周围的外轨道落到内轨道。在自发情况和模拟情况下，发生这种情况的机制是不同的。

自发发射是大多数普通光的产生机制。根据原子或分子的激发方式，该现象有不同的名称。通过加热以外的某种方式激发的原子(或分子)的自发发射称为发光。根据激发原子的产生方式，发光有不同的形式(电致发光、化学发光等)。

当激发涉及辐射吸收时，自发发射就是荧光。当分子具有亚稳态水平并在激发辐射移除后继续发出荧光时，就会产生磷光。

自发发射中光子的相位是随机的，光子传播的方向也是随机的。

自发发射发生的原因的解释变得相当复杂。物理学家必须设计出所谓的量子场论和量子电动力学来证明为什么会发生自发的能量跃迁。

然而，测量自发辐射的结果很简单。照度计(更具体地说，光电二极管)是量化普通光源的光发射的主要工具。

自发发射引出了受激发射的定义。激光器通过自发发射启动，然后通过受激发射过渡到连续运行。受激发射是指电子与光子形式的入射电磁波相互作用的过程。电子下降到较低的能级，但这样做会将能量转移到入射场。这一作用产生了一个与进入的光子具有相同相位、频率、偏振和行进方向的光子。因此，光子发射是由另一个入射光子的作用激发的。

要使激光发生这种作用，必须存在一种称为粒子数反转的条件。在没有外部刺激的情况下，处于低能态的原子总是多于处于高能态的原子。尽管原子吸收和发射能量是连续发生的，但原子在各种能态下的统计分布(数量)是恒定的。将能量注入系统会改变这种分布，从而产生粒子数反转，其中处于较高能态的原子多于处于较低能态的原子。

粒子数反转的机制是激光泵浦。在激光器中，光腔包含由泵浦能量激发的增益介质。它的两端都有一个高度抛光的镜子。光线在两个镜子之间反射并被放大。后镜的反射率为 100%，而前镜的反射率稍低。在每个周期中，都会有一点光通过反射率较低的镜子逸出。但由于循环以很高的频率重复，因此发射的激光量可能相当大。

激光输出的测量使用多种不同的技术，具体取决于所涉及的功率水平。激光功率计可以采用热电堆检测器，即串联并紧密连接在一起的热电偶阵列。用于激光功率测量的热电堆利用温差来产生电压。一侧是由激光(或任何其他辐射源)加热的材料，另一侧是散热器。电压与两侧的温差成正比，而温差又与激光功率成正比。

激光功率测量也可以使用普通光电二极管。与热电堆相比，光电二极管速度更快，受温度波动影响更小，并且噪声水平更低。但它们的高灵敏度使它们容易受到环境光噪音的影响。它们通常与较低功率的激光器兼容。

一些激光功率测量使用热释电传感器，当温度发生变化时，热释电传感器会产生电流。要使用热释电传感器测量功率，必须以特定频率对信号进行斩波，以便仪器可以将其检测到的变化转换为功率读数。热释电传感器的优点之一是它们倾向于在大频带上与激光一起工作。

还提供积分球检测器。在这里，光通过一个小孔进入空心球体，并在球体内部扩散，在球体的内涂层上产生多次反射。球体中另一个位置的均匀照明的小孔径对漫射光的一部分进行采样，并将其发送到传感器上。这种结构的要点是积分球充当衰减器，以允许使用更小、更快的探测器和更高功率的激光器。

*后，自发发射和受激发射可以与热发射进行对比。热发射或热辐射是电磁波的发射，因此代表热能转化为电磁能。热能实际上是物质中原子和分子随机运动的动能。

所有温度高于**零的物质都是由具有动能的粒子组成的。原子和分子中的质子和电子带有电荷。这些粒子之间的动力学相互作用导致电荷加速和偶极子振荡。这些振荡产生耦合的电场和磁场。这些场导致光子发射。

热辐射的质量取决于其来源表面的特性。这些特性不仅包括温度，还包括光谱吸收率和光谱发射功率。热辐射由大量光子能量组成，这些光子能量构成了辐射体的特征光谱。

与其表面处于热力学平衡且其表面对所有波长都具有**吸收率的辐射体称为黑体。任何温度下物体的热辐射都会在很宽的频率范围内发生，其分布由普朗克黑体辐射定律给出。随着发射器温度的升高，发射辐射的主频率范围会转移到更高的频率。

测量热发射的*简单方法是使用温度计。但工业应用通常涉及非平凡的排放情况。因此热成像相机经常用于测量热发射细节。

热成像相机利用的事实是，物体的温度越高，它以黑体辐射的形式发出的红外辐射就越多。热成像相机检测这种辐射的方式类似于检测可见光的普通相机。需要注意的是，热成像相机上的聚焦镜头不能由玻璃制成，因为玻璃会阻挡长波红外光。通常热辐射的光谱范围从大约 700 nm 开始。因此镜片必须使用特殊材料，如锗、氟化钙、晶体硅或特殊类型的硫族化物玻璃。