為何在激光理論中一般不額外考慮真空零點場對原子擾動的貢獻？為何原子不會出現「自發吸收」現象？

量子光學中，電磁場經量子化之後，由於零點能的存在，激發態原子將受到擾動而躍遷回基態，同時輻射一個光子，這就是所謂「自發輻射」的過程。

既然真空場能夠擾動原子產生可觀測的效應，那為何在激光理論中研究受激吸收與受激輻射時，一般不會額外考慮真空零點場對原子擾動的貢獻？

既然真空場能量不為零，為何自然界從未出現過類似於受激吸收的「自發吸收」現象？

謝邀哈，我儘力答。

首先這三個詞呢，是歷史的稱謂，愛因斯坦大叔提出的。其實就像你說的，「自發」其實不是「自發」的，愛叔當年給出那個自發係數Spotane和受激係數Stimula倍數關係時就意識到了，這事可能有相同的原因。其實就像後人發現的，因為光子的spin是半偶數（整數，就是玻色子），所以傾向於干涉後傾向進入相同狀態（Feynman講義第三卷）。

cooper對兒，He2/4原子，還有excition都有這個性質，只是不叫激光，叫什麼superconduct，superfluid，還有無布局反轉二能級激光～

回到正題，但這是輻射過程，原子能量耦合進入輻射場，這需要輻射場的sitimulation來決定光子的態，就是激光物理的模式mode。依照stimulation來自哪裡被分成Spotane（真空場漲落）和Stimula（輻射場）～你看到的激光過程不分析Spotane是因為深度激光震蕩中，真空場的漲落相比腔膜對應的電磁場強度太小，後者引發laser，二階相關係數是1（相位整齊相干時間長，光子anti-bunching）；而當你分析激光起振過程中Amplified Spotaneous Emission，你必須考慮真空場漲落，真空漲落即自發輻射，因為此時Spotane和Stimula貢獻可比，二階相關係數1與2之間（性質介乎laser和thermo-emission之間的某種東西）。甚至於，你分析深度激光震蕩時你連次要的模式都不分析，因為模式競爭會使損耗小增益高的腔模吃掉弱的模，遑論自發輻射。

至於吸收過程不分Spotane和Stimula。因為光子湮滅過程不涉及光子進入哪個輻射場，形成了什麼電磁模式，而是光子能量被耦合進原子。

費曼頭像高高掛，

2016-01-03

物質由原子組成。(圖一)是一個碳原子的示意圖。原子的中心是原子核，由質子和中子組成。質子帶有正電荷，中子則不帶電。原子的外圍布滿著帶負電的電子，繞著原子核運動。有趣的是，電子在原子中的能量並不是任意的。描述微觀世界的量子力學告訴我們，這些電子會處於一些固定的「能階」，不同的能階對應於不同的電子能量。為了簡單起見，我們可以如圖一所示，把這些能階想像成一些繞著原子核的軌道，距離原子核越遠的軌道能量越高。此外，不同軌道最多可容納的電子數目也不同，例如最低的軌道 (也是最近原子核的軌道) 最多只可容納 2 個電子，較高的軌道則可容納 8 個電子等等。事實上，這個過份簡化了的模型並不是完全正確的，但它足以幫助我們說明激光的基本原理。

電子可以透過吸收或釋放能量從一個能階躍遷至另一個能階。例如當電子吸收了一個光子時，它便可能從一個較低的能階躍遷至一個較高的能階 (圖二 a)。同樣地，一個位於高能階的電子也會透過發射一個光子而躍遷至較低的能階 (圖二 b)。在這些過程中，電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能階的能量差相等。由於光子能量決定了光的波長，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。當原子內所有電子處於可能的最低能階時，整個原子的能量最低，我們稱原子處於基態。(圖一)顯示了碳原子處於基態時電子的排列狀況。當一個或多個電子處於較高的能階時，我們稱原子處於受激態。前面說過，電子可透過吸收或釋放在能階之間躍遷。躍遷又可分為三種形式﹕

1. 吸收(absorption) - 電子透過吸收光子從低能階躍遷到高能階 (圖二 a)。

2. 自發輻射(spontaneous emission) - 電子自發地透過釋放光子從高能階躍遷到較低能階 (圖二 b)。

3. 受激輻射(stimulated emission) - 光子射入物質誘發電子從高能階躍遷到低能階，並釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相，此波長對應於兩個能階的能量差。一個光子誘發一個原子發射一個光子，最後就變成兩個相同的光子 (圖二 c)。

激光基本上就是由第三種躍遷機制所產生的。(圖三)顯示紅寶石激光的原理。它由一枝閃光燈，激光介質和兩面鏡所組成。激光介質是紅寶石晶體，當中有微量的鉻原子。在開始時，閃光燈發出的光射入激光介質，使激光介質中的鉻原子受到激發，最外層的電子躍遷到受激態。此時，有些電子會透過釋放光子，回到較低的能階。而釋放出的光子會被設於激光介質兩端的鏡子來回反射，誘發更多的電子進行受激輻射，使激光的強度增加。設在兩端的其中一面鏡子會把全部光子反射，另一面鏡子則會把大部分光子反射，並讓其餘小部分光子穿過﹔而穿過鏡子的光子就構成我們所見的激光。

產生激光還有一個巧妙之處，就是要實現所謂粒子數反轉 (population-inversion)的狀態。以紅寶石激光為例 (圖四)，原子首先吸收能量，躍遷至受激態。原子處於受激態的時間非常短，大約10E(-7)秒後，它便會落到一個稱為亞穩態的中間狀態。原子停留在亞穩態的時間很長，大約是秒或更長的時間。電子長時間留在亞穩態 (Metastable State)，導致在亞穩態的原子數目多於在基態(Ground State) 的原子數目，此現象稱為「粒子數反轉」。粒子數反轉是產生激光的關鍵，因為它使透過「受激輻射」由亞穩態回到基態的原子，比透過「自發吸收」由基態躍遷至亞穩態的原子為多，從而保證了介質內的光子可以增多，以輸出激光。

由於自發輻射的過程與外界無關，各個原子的發射都是自發地、獨立地進行。因此它們所發出的光子在發射方向、偏振態和初相位都不同。另外，原子的激發態不止一個，因此自發輻射光的頻率也非單一值。故自發輻射所發出的光為非相干光，而普通光源的發光均屬於自發輻射，例如霓虹燈就是一例。而所謂的自發輻射，則是粒子處於高能階的狀態時，在沒有任何入射光或電磁波的干擾下，自行往低能階躍遷並放出輻射，躍遷的原因都是受到外在能量的干擾而發生的，但在沒有外加任何光、電磁波的情況下，能量要從哪裡來？答案是來自於真空中的能量，事實上，真空並非空無一物，而是會突然生出一對物質與其反物質，例如電子與正子，然後再互相湮滅，當然也有可能生出兩對電子與正子，然後再彼此交互湮滅，因此在真空中，什麼情況都會發生，為了不違反測不準原理，從真空中取出的能量越多，湮滅的時間就會越快。不過台灣清華大學物理系助理教授許耀銓與瑞典查爾摩斯工藝大學等國際團隊合作，在低溫下，成功地利用一面等效的微波反射鏡與超導組件，精確地測量真空擾動的結構，證實真空擾動的存在及真空結構可被改造。所以激光理論中研究受激吸收與受激輻射時，一般不會額外考慮真空零點場對原子擾動的貢獻將受到考驗。

吸收過程不能自發發生，必須依賴外來光子的激發才能實現，簡單的說，就是把光打在束縛粒子上，不過並非所有頻率的光都會使粒子發生躍遷，而是需要特定頻率的光，因為能量是量子化的，束縛粒子僅能吸收或放出特定能量才能躍遷到另一個能階。實際上，當光和原子系統相互作用時，吸收、自發輻射和受激輻射總是同時存在的。當這三種過程達到平衡時，單位時間單位體積內通過「吸收過程」由低能級躍遷到激發態的原子數應等於從激發態通過「自發輻射」和「受激輻射」躍遷回低能態的原子數。