均一な広がり

均一広がりは、特定のレベルから放射するすべての原子が均等な機会で放射するタイプの発光スペクトル広がりです。 ^[1]光エミッター（たとえば原子）が均一広がりを示す場合、そのスペクトル線幅はローレンツプロファイルを持つ自然な線幅です。

レーザー物理学における広がりは、レーザー放射プロファイルの分光線形状に影響を及ぼす物理現象です。レーザー放射は、励起状態 (高エネルギー) と低エネルギー状態の間での量子システム (原子、分子、イオンなど) の (励起とそれに続く) 緩和によって生じます。これらの状態は、エネルギー演算子の固有状態と考えることができます。これらの状態間のエネルギーの差は、放射される光子の周波数/波長に比例します。このエネルギー差は変動するため、「マクロ放射」(ビーム) の周波数/波長には一定の幅があります (つまり、「理想的な」完全な単色放射に対して「広がり」ます)。

変動の性質によって、2 種類の広がりが存在します。周波数/波長の変動が各量子エミッターで同じ現象によるものであれば、均一な広がりとなりますが、各量子エミッターが異なる種類の変動を持つ場合は、不均一な広がりとなります。

各システムで変動が同じである状況 (均一な広がり) の例としては、自然または寿命の広がり、および衝突または圧力の広がりがあります。これらの場合、各システムは「平均して」同じように影響を受けます (たとえば、圧力による衝突によって)。

固体システムにおいて、システムごとに変動が異なる (不均一な広がり) 最も一般的な状況は、ドーパントの存在により、局所的な電場が各エミッターごとに異なり、シュタルク効果によってエネルギー レベルが不均一に変化するときです。均一に広がった放出線はローレンツ プロファイルを持ち (つまり、ローレンツ関数によって最もよく近似されます)、不均一に広がった放出はガウス プロファイルを持ちます。1 つ以上の現象が同時に存在する場合もありますが、1 つの現象の変動が大きい場合、それが広がりの特性の原因となります。

これらの効果はレーザー システムや光学分光法に限定されません。これらの効果は磁気共鳴にも関連しており、 NMRの周波数範囲は無線周波数領域にあります。また、固定 (マイクロ波) 周波数と磁場範囲で線形が観測されるEPRでもこれらの効果を参照できます。

半導体では、すべての振動が同じ固有振動数を持ち、誘電関数の虚数部の広がりが有限の減衰のみから生じる場合、システムは均質に広がっていると言われ、ローレンツプロファイルを持ちます。ただし、システムが約 についてわずかに異なる周波数を持つ多くの振動子を含む場合、システムは不均質に広がっています。^[2]${\displaystyle \omega _{0}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{2}(\omega )}$${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle \varepsilon _{2}(\omega )}$${\displaystyle \omega _{0}}$

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