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电磁场与物质的相互作用，
前面几节我们介绍了作为信息载体的电磁场和物质的概念，
并且讲述了电磁场与物质相互作用中非共振作用
这一小节我们继续讲述电磁场与物质相互作用中的共振作用
电磁场与电介质的共振作用分为
自发辐射、受激吸收、受激辐射三种不同的过程
处于高能带E2的一个原子自发地向低能带E1跃迁，
并发射一个能量为E2-E1的光子
这种过程称为自发跃迁，
由原子自发跃迁发出的光子,
它的频率由hν=E2-E1决定，我们称为自发辐射
自发跃迁是一种只与原子本身性质有关
而与外加电磁场无关的自发过程。
严格地说，这个过程本身不属于电磁场和物质的相互作用
因为没有外加电磁场，物质也会有自发跃迁。
但是，这个自发跃迁过程产生的自发辐射场
会影响到电磁场和物质的相互的作用
换言之，自发辐射不决定于场与物质的相互作用，
但是在场与物质的相互作用中扮演着一个重要的角色
处于低能带E1的一个原子，
在频率为ν的辐射场的作用（激励）下，
吸收一个能量为hν=E2-E1的光子，
并向高能带E2跃迁，这种过程称为受激吸收跃迁
爱因斯坦在研究物质原子和辐射场的相互作用时提出，
还存在另一种原子在辐射场作用下的受激跃迁过程
与受激吸收跃迁过程相反，
处于高能带E2的一个原子，
在频率为ν的辐射场的作用下，
会向低能带E1跃迁，并放出一个能量为hν的光子。
这个过程称为受激辐射跃迁，发出的光子称为受激辐射
我们来分析一下受激辐射跃迁和自发辐射跃迁，
似乎这两个过程有很多共同点。
同样是原子中电子从高能带跃迁到低能带，放出光子，
但这是两个完全不同的物理过程
自发辐射出来的光子虽然频率决定于两个能级的差，
有一个一定的频率。但是相位、偏振等特性完全是随机的
而受激辐射跃迁是被入射的光子“诱发”了的一个过程，
这个入射光子的能量要和这两个能级之间的差是一致的
入射光子完成“诱发”，
诱发上能级电子跃迁到下能级，
辐射出光子之后，
入射光子并不消逝，和受激辐射的光子同时存在
受激辐射出来的光子和入射光子在
频率、相位、偏振、出射方向等特性上完全一样
就像是入射光子被克隆了一样。
与自发跃迁不同，受激跃迁不仅与原子性质有关，
其跃迁几率还与辐射场的强度成正比
诱发的光子越多，受激辐射的几率越大
在考虑受激跃迁时，不能忽视自发辐射的作用。
只要上能级有电子，自发辐射就始终存在
一方面，扮演着为受激辐射提供“诱发”光子的角色
另一方面，它又是我们分析受
激辐射场时不得不滤掉的噪声来源
这里还要注意的是，
受激吸收跃迁与受激辐射跃迁是两个完全相反的过程。
一个是吸收光子，一个是放出光子。
这两个过程同时存在，
对于电磁场的作用是相互抵消的
我们只能观测到抵消后的“净效应”。
吸收和辐射哪一个过程更强一些
取决于上下能带电子数目的多少
下能带的电子数较多，
受激吸收过程占上风，
观察到的是电磁场被吸收了。
如果材料处于上能带的电子数目较多的状态，
那么，受激辐射过程就占上风，
体现出来的是电磁场增强了
一般情况下，电子先聚集在能级比较低的地方，
材料均处于下能带电子数较多的状态，
也就是基态，受激吸收过程远远大于受激辐射过程
所以普通的材料即使有受激辐射，
也被受激吸收掩盖了。
只有材料处于被泵浦的激发状态，
即上能带的电子数比下能带电子数多时，
才有可能观测到受激辐射现象
正因为此，受激辐射一直到二十世纪初才被发现
爱因斯坦在理论上预言的这种受激辐射现象是革命性的
完全不同于传统的通过自由电子与电磁场相互作用
来实现电磁波放大和振荡的概念，
开辟了利用原子/分子中的束缚电子
与电磁场的相互作用来放大电磁波的新路
为光电子器件开拓了一个崭新的时代，
直接导致了激光器的出现
受激辐射是一个可以生产光子的过程，
通过这个过程可以产生与入射光子
频率、相位、偏振、出射方向完全一样的光子
也就是说产生出来的光子的特性是可以控制的，
由诱发光子的状态来控制
前面分析了，要克服受激吸收过程，
获得光子的净增加，
就要使受激辐射的几率大于受激吸收的几率，
也就是说要使上能带的电子数大于下能带的电子数
受激辐射过程中，
上能带的电子不断跃迁下来，
是一个消耗上能带电子数的过程
要保持受激辐射过程的持续，
我们需要有一个外加的机制，
不断地把跃迁到低能带的电子再搬回到高能带，
从而保持上能带电子在数目上的优势。
这个“搬运”过程称之为“泵浦”或者“抽运”
实现这个“搬运”过程有两种方法。
一般是采用高频率强光照射，
称之为“光泵浦”的方法
或采用PN结载流子注入的“电泵浦”方法
从另一个角度来理解，
泵浦的能量通过受激辐射转变成了人们想获得的
特定频率、相位、偏振的电磁辐射能。
受激辐射现象使得入射光子的数目增加，
也就是电磁场的能量增加了，这就是一个光放大器
产生出来的辐射光子又可以去诱导出新的光子，
新的光子还可以去诱导出更多的光子，
这些新产生的光子全都是完全一样、步调一致的
这就形成了一个正反馈的过程，
结果是某一种光子的数量得到的极大的增强，
这种频率、相位、偏振、传播方向完全一样的
大量聚集的光子，
我们称之为激光，
产生激光的过程称之为激射
首先利用受激辐射实现电磁场放大、激射的是在微波波段。
1958年Towns发明了氨分子微波量子振荡器，
他因此在1964年获得了诺贝尔物理学奖
两年之后，休斯公司的梅曼
在1960年研制出第一支红宝石激光器
激光器诞生50多年来，
激光技术不断进步，
发展出了各种各样的激光器。
这是采用氦氖气体作为增益介质的氦氖激光器，
这个是半导体激光器的芯片和模块，
作为光源，半导体激光器是
光纤通信技术不可替代的重要器件
目前，激光技术被广泛应用在
社会生活、国防军事等各个领域，
为推动社会的发展起到的了重大作用
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 电磁学和分析数学发展史：磁学
-第三节 电磁学与分析数学发展史：静电
-第四节 电磁学和分析数学发展史：动电
-第五节 电子器件的发明及电子技术的发展
-第六节 电磁学的广泛应用
-第七节 电磁系统理论
-第八节 电子科学技术各学科间的关系
-第九节 电子科学技术的学科体系
-第一讲：电磁学与分析数学史概览--第一次作业
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 电磁场（一）
-第三节 电磁场（二）
-第四节 物质
--第四节 物质
-第五节 电磁场与物质的相互作用：非共振作用
-第六节 电磁场与物质的相互作用：共振作用
-第七节 电磁场理论与电路理论
-第一节 空间离散化
-第二节 静场电路分析
-第三节 非静场电路抽象
-第三讲：电路抽象--电路抽象 练习题
-第四节 电路元件抽象
-第五节 非线性元件抽象
-第六节 电路抽象三原则
-第七节 分层抽象思想
-第八节 电路基本问题
-第九节 数字化抽象
-第三讲：电路抽象--Quiz 3
-第一节 序言
--第一节 序言
-第二节 什么是比特
-第三节 比特与编码
-第四节 比特与信息
-第五节 比特的用途示例
-第六节 什么是逻辑
-第七节 逻辑的用途示例
-第八节 与数字电路的关系
-第九节 小结
--第九节 小结
-第四讲：比特与逻辑--Quiz4
-第一节：从算盘到ENIAC
-第二节：通用计算机模型
-第三节：指令集体系结构
-第四节：程序和程序设计语言
-第五节：处理器的工作原理
-第六节：性能问题
--第六节：性能问题
-第七节：小结
--第七节：小结
-第一节：数据与数据处理技术的发展
-第二节：数据处理举例
-第三节：数据模型和算法的概念
-第四节：问题的抽象和建模
-第五节：数值分析问题研究
-第六节：数据和算法的关系I
-第七节：数据和算法的关系II
-第八节：大数据
--第八节：大数据
-第九节：数据挖掘技术和数据算法的展望
-第六讲：数据与算法--Quiz6
-第一节：基本内容简介
-第二节：信息的基本概念和传输的几种方式
-第三节：交换的概念和网络的几种形式
-第四节：模拟与数字通信
-第五节：调制和解调
-第六节：传输涉及的基本理论
-第七节：信息论和几种相关的编码方式
-第八节：多址方式
--第八节：多址方式
-第九节：交换的基本概念
-第十节：网络分层的基本概念
-第十一节：互联网的基本原理和有限状态机模型
-第七讲：通讯与网络--Quiz7
-第一讲：内容简介
--第一讲：内容简介
-第二讲：信息与媒体
-第三讲：人类感知与认知
-第四讲：智能信息处理
-第五讲：媒体与认知相互作用
-第六讲：媒体认知应用
-第七讲：总结
--第七讲：总结
-第八讲：媒体与认知--Quiz8
-期末考试--Final Exam
