Процесс, в котором пришедший фотон заставляет возбуждённый атом испустить второй такой же фотон.Вынужденное излучение — это процесс, при котором фотон, пролетающий вблизи атома, уже находящегося в возбуждённом состоянии, заставляет этот атом высвободить избыточную энергию в виде второго фотона. Ключевая деталь: новый фотон — точная копия первого: та же частота, то же направление, та же фаза, та же поляризация. Оба фотона уходят вместе, и каждый из них может вызвать дальнейшие испускания, так что один фотон способен запустить каскад одинаковых фотонов. Именно это позволяет превратить слабый ручеёк света в яркий упорядоченный пучок.
Важность этого в том, что обычные источники света — раскалённая нить, пламя, Солнце — испускают свет через спонтанное излучение, когда каждый атом «выстреливает» в случайный момент и в случайном направлении. В результате получается мешанина частот и фаз. Вынужденное же излучение создаёт свет когерентный: все волны идут в ногу. Эта когерентность — определяющее свойство лазерного света, и именно поэтому лазеры можно фокусировать в крошечное пятно, передавать с их помощью информацию по оптическим волокнам или резать металл с чистым краем.
Концепция объясняет целое семейство эффектов за пределами собственно лазера: оптическое усиление в волоконно-оптических повторителях, активную среду внутри любого лазерного резонатора и даже астрофизические мазеры в газовых облаках вокруг умирающих звёзд, где естественно возбуждённые молекулы усиливают радиоволны.
Альберт Эйнштейн предсказал этот эффект в 1917 году в работе по квантовой теории излучения, где ввёл коэффициенты A и B, связывающие спонтанное и вынужденное излучение и поглощение. Первое работающее устройство на его основе — мазер (усиление микроволн) — построили Чарлз Таунс с коллегами в 1954 году; Теодор Мейман продемонстрировал первый оптический лазер на рубиновом стержне в 1960 году.
Атом обладает дискретными энергетическими уровнями. Если он находится на возбуждённом уровне, то рано или поздно самопроизвольно перейдёт на более низкий, испустив фотон — это спонтанное излучение. Но если фотон с точно подходящей энергией приходит, пока атом ещё возбуждён, колеблющееся электрическое поле фотона подталкивает электрон атома, побуждая его совершить переход вниз раньше. Энергия, высвобождаемая при этом переходе, добавляется к полю пришедшего фотона, а не уходит в случайном направлении, поэтому атом испускает второй фотон в ту же моду электромагнитного поля. Пришедший фотон не поглощается; он продолжает путь, теперь в сопровождении своей копии.
Чтобы это превратилось в полезный пучок, возбуждённых атомов должно быть больше, чем невозбуждённых — условие, называемое инверсией населённостей. В лазере внешний источник энергии (лампа-вспышка, ток, другой лазер) накачивает атомы в возбуждённое состояние, а зеркала на концах активной среды гоняют фотоны туда-сюда, так что с каждым проходом их становится больше. Одно зеркало делают частично прозрачным, выпуская усиленный пучок наружу.
Это механизм усиления в любом лазере и мазере — от сканеров штрихкодов и волоконно-оптических усилителей до хирургических инструментов и интерферометров для регистрации гравитационных волн.
Эйнштейн вывел вынужденное излучение чисто из термодинамической согласованности — за десятилетия до того, как у кого-либо появился способ построить устройство, использующее этот эффект.
