Spontánní emise označuje jev, při kterém systém kvantové umístěna v excitovaném stavu spadá nutně ve stavu nižší energie vyzařující foton. Na rozdíl od stimulované emise k tomuto jevu dochází bez vnějšího zásahu.
Když vzrušení není způsobeno teplem, nazývá se to luminiscence .
Již v roce 1887 se německému fyzikovi Heinrichovi Hertzovi experimentálně podařilo demonstrovat vyzařování světla elektrickými náboji. Pokud by bylo možné tento jev vysvětlit v rámci teorie Lorentzova elektronu, nebylo možné pochopit, proč k němu došlo pouze na určitých dobře stanovených frekvencích.
Nástup kvantové mechaniky nechá tento jev je třeba lépe pochopit: to byl Niels Bohr , kdo dal jeho jméno k tomuto jevu.
Uvažujme o dvou stavech molekuly nebo atomu. Tato molekula, pokud je ve svém excitovaném stavu , se může spontánně odpojit od energie, to znamená převést svoji excitační energii na foton frekvence vysílané v libovolném směru prostoru:
Se na Planckova konstanta . Na rozdíl od stimulované emise jsou směr a fáze emitovaného fotonu náhodné.
V případě, že uvažujeme atomy, lze pokles tohoto počtu atomů v čase vyjádřit jednoduše jako funkci Einsteinova koeficientu A :
Nebo znovu tím, že si všimneme pravděpodobnosti emise fotonu:
Počet atomů se řídí zákonem exponenciálního rozpadu, takže můžeme vztahovat Einsteinův koeficient A, někdy také známý , k životnosti atomu v jeho excitovaném stavu:
Tato životnost je obvykle krátká, řádově deset nanosekund pro excitovaný atom.
Samovolně zesílená spontánní emise je jev používaný při provozu volného elektronového laseru, při kterém je laserový paprsek vytvořen z vysokoenergetického elektronového paprsku .
Proces samovolně zesílené spontánní emise začíná paprskem elektronů vstřikovaných do undulátoru, rychlostí blízkou rychlosti světla a rovnoměrným rozložením hustoty elektronů uvnitř paprsku. V undulator, trajektorie elektronů vlní a toto zvlnění způsobuje jejich vyzařování světelného charakteristiku síly na undulator, ale v určité šířce pásma z energie . Tyto fotony mírně rychlejší emitované elektrony pohybující se a komunikovat s každým periody zvlnění. V závislosti na vzájemné fázi elektrony získávají nebo ztrácejí energii změnou své rychlosti: rychlejší elektrony dohánějí elektrony, které byly zpomaleny, takže hustota elektronového paprsku je periodicky modulována elektromagnetickým zářením . Strukturovaný elektronový paprsek zesiluje pouze určité energie fotonů podle jejich kinetické energie, dokud systém nepřejde do saturace. Energetická spektra ukazují distribuci podobnou distribuci hlasitého hrotového šumu na pozadí s nižší amplitudou. Fázový prostor k dispozici pro fotony je snížena tak, že je pravděpodobnější, že mají podobnou fázi, a tak, aby vyzařovaný paprsek je téměř koherentní .
Tento koncept byl implementován v SACLA v Japonsku , pro laser s volnými elektrony v Hamburku ( fr ) a pro LCLS v Linear Accelerator Center ve Stanfordu .