Processus quantique par lequel un photon incident interagissant avec un système quantique excité induit une transition vers un état d'énergie inférieur et l'émission d'un second photon cohérent en phase, en fréquence et en direction avec le photon stimulant.

Principe

Les taux de transition comportent un terme proportionnel à l'occupation photonique du mode considéré ; lorsque l'occupation est non nulle, la présence d'un photon augmente la probabilité d'émission dans le même mode, permettant l'amplification de la lumière sous des conditions de population appropriées.

Démonstration

Dans un milieu laser avec inversion de population, un photon incident stimule de nombreux atomes ou molécules à émettre des photons additionnels de même phase et direction, produisant un rayonnement cohérent amplifié le long d'un mode optique confiné par le résonateur.

Mauvaise application

Considérer l'émission stimulée comme une copie purement classique de photons produisant toujours des clones parfaits ; ignorer les limites quantiques telles que la largeur de raie, la diffusion de phase, la compétition de modes et la nécessité d'une distribution de population et d'un couplage de mode appropriés.

Conséquence

Permet l'amplification optique et micro-ondes et les sources cohérentes (lasers, masers) ; combinée au retour et à l'inversion de population elle produit un gain exponentiel, la montée de la cohérence et une émission étroite en fréquence utile pour les mesures de précision et les communications.

Inversion

Absorption : le processus quantique inverse où un photon entrant est annihilé tandis que le système absorbe son énergie et passe à un état d'énergie supérieure, réduisant le nombre de photons dans le mode.

Limite

S'applique aux transitions entre niveaux d'énergie quantifiés couplés à des modes électromagnétiques ; exclut les processus de diffusion stimulée qui ne se décrivent pas comme des transitions à deux niveaux directes (par exemple certains procédés paramétriques non linéaires) sauf s'ils se ramènent à des termes équivalents d'émission stimulée.

Tension sémantique

Souvent opposée à l'émission spontanée et comparée à la diffusion stimulée classique ou à l'amplification paramétrique ; une source de confusion est de savoir si l'émission stimulée exige l'inversion de population (certains schémas d'amplification exploitent la cohérence sans inversion simple).

Synthèse

L'émission stimulée est le mécanisme quantique d'amplification par lequel l'occupation d'un mode électromagnétique augmente la probabilité de transition vers ce même mode, produisant des photons en phase et en fréquence et constituant le noyau opérationnel des lasers et amplificateurs cohérents.