(a). Hấp thụ (b). Phát xạ tự phát (c). Phát xạ kích thích
Hiện tượng hấp thụ (absorption), hình 3.4.a, xảy ra khi một photon có năng lượng hf bịhấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp E1. Quá trình này chỉ xảy ra khi
năng lượng hf của photon bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa mức năng lượng cao và mức nănglượngthấp củađiện tử (Eg = E2 – E1). Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, điệntử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao.
Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission), hình 3.4.b, xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phát ra một năng lượng Eg = E2 – E1 dưới dạng một photon ánh sáng. Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của điện tử. Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emision), hình 3.4.c, xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng hf bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái năng lượng thấp của điện tử (Eg= E2 – E1). Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượngthấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với nănglượng của photon kích thích ban đầu. Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra). Photon mới được tạo ra có đặc điểm: cùng tần số, cùng pha, cùng phân cực và cùng hướng truyền với photon kích thích ban đầu. Đây là các đặc điểm của tính kết hợp (coherent) của ánh sáng. Do vậy, ánh sáng do hiện tượng phát xạ kích thích tạo ra có tính kết hợp. Hiện tượng phát xạ tự phát xảy ra tự nhiên do các điện tử luôn có khuynh hướng chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái ổn định có năng lượng thấp hơn. Các photon ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra một cách ngẫu nhiên theo thời gian và không gian. Do đó, pha, tần số, hướng truyền cũng như phân cực của sóng ánh sáng được tạo ra cũng ngẫu nhiên. Vì vậy, ánh sáng do hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp. Hình 3.5 minh hoạ các trạng thái thay đổi năng lượng của điện tử khi xảy ra 3 hiện tượngbiến đổi quang điện nêu trên