1. Entdecken

Die Gesetze der Quantenmechanik, angewendet auf die elektronischen Niveaus, sagen uns, dass die Zerfallsrate nicht für jedes Paar von Niveaus gleich ist. Jeder Übergang hat eine charakteristische Zerfallszeit. Einige Übergänge haben eine sehr kurze Zerfallszeit (d. h. das Elektron verbleibt nur minimal im oberen Niveau), während andere Übergänge für lange Zeit nicht stattfinden können.

In einem System mit vielen identischen Atomen befinden sich zu einem bestimmten Zeitpunkt N₂ (in einer Volumeneinheit) Atome, bei denen sich mindestens ein Elektron auf dem Niveau 2 befindet, das eine höhere Energie hat als das entsprechende Niveau 1 (niedrigere Energie), in das das Elektron übergehen kann.

Die Anzahl der Atome ΔN₂, die diesen Übergang (2 zu 1) in einer bestimmten Zeitspanne Δt durchführen, wird durch die Formel gegeben

wobei die Zahl A als Einstein-Koeffizient bezeichnet wird und der Kehrwert der mittleren Lebensdauer bei spontaner Emission des Elektrons im Niveau 2 ist.

Nach der Lebensdauer ist die mittlere Anzahl der Atome im Niveau 2 , wobei die Eulersche Zahl ist.

Wird das Atom von einer elektromagnetischen Welle getroffen, deren Frequenz derjenigen des atomaren Übergangs entspricht, zwingen die Photonen der Welle das Atom, den Übergang durchzuführen.

Der grundlegende Unterschied der stimulierten Emission im Vergleich zur spontanen Emission besteht darin, dass das emittierte Photon die gleiche Phase und Richtung wie die einfallende Welle hat.

Offensichtlich erhalten wir eine Verstärkung der Strahlung, wenn die Anzahl der Elektronen (Population) im Niveau 2 größer ist als die Population des Niveaus 1.