Stimulirana emisija je proces, s katerim lahko prihajajoči foton določene frekvence komunicira z vzbujenim atomskim elektronom (ali drugim vzbujenim molekularnim stanjem), kar povzroči, da pade na nižjo energijsko raven. Sproščena energija se prenese v elektromagnetno polje, pri čemer nastane nov foton s fazo, frekvenco, polarizacijo in smerjo gibanja, ki so identični fotonom vpadnega vala. In to se zgodi v nasprotju s spontanim sevanjem, ki deluje v naključnih intervalih, ne da bi upoštevali okoliško elektromagnetno polje.
Pogoji za pridobitev stimulirane emisije
Proces je po obliki identičen atomski absorpciji, pri kateri energija absorbiranega fotona povzroči enak, a nasproten atomski prehod: iz nižjega vvišji nivo energije. V normalnih okoljih v toplotnem ravnovesju absorpcija presega stimulirano emisijo, ker je več elektronov v nižjih energijskih stanjih kot v višjih energijskih stanjih.
Vendar, ko je prisotna populacijska inverzija, stopnja stimulirane emisije presega stopnjo absorpcije in je mogoče doseči čisto optično ojačanje. Tak ojačevalni medij skupaj z optičnim resonatorjem predstavlja osnovo laserja ali maserja. Ker nimajo povratnega mehanizma, laserski ojačevalniki in superluminiscentni viri delujejo tudi na podlagi stimulirane emisije.
Kaj je glavni pogoj za pridobitev stimulirane emisije?
Elektroni in njihove interakcije z elektromagnetnimi polji so pomembni v našem razumevanju kemije in fizike. V klasičnem pogledu je energija elektrona, ki se vrti okoli atomskega jedra, večja za orbite, ki so daleč od atomskega jedra.
Ko elektron absorbira svetlobno energijo (fotone) ali toplotno energijo (fononi), prejme ta vpadni kvant energije. Toda prehodi so dovoljeni samo med diskretnimi energijskimi nivoji, kot sta prikazani spodaj. To ima za posledico emisijske in absorpcijske črte.
energetski vidik
Naprej bomo govorili o glavnem pogoju za pridobitev induciranega sevanja. Ko je elektron vzbujen z nižje na višjo energijsko raven, je malo verjetno, da bo tako ostal za vedno. Elektron v vzbujenem stanju lahko razpade na nižjeenergijsko stanje, ki ni zasedeno, v skladu z določeno časovno konstanto, ki označuje ta prehod.
Ko tak elektron brez zunanjega vpliva razpade in odda foton, se to imenuje spontana emisija. Faza in smer, povezani z oddanim fotonom, sta naključni. Tako lahko material z veliko atomi v takem vzbujenem stanju povzroči sevanje, ki ima ozek spekter (s središčem okoli ene valovne dolžine svetlobe), vendar posamezni fotoni ne bodo imeli skupnih faznih razmerij in bodo tudi oddani v naključnih smereh. To je mehanizem nastanka fluorescence in toplote.
Zunanje elektromagnetno polje s frekvenco, povezano s prehodom, lahko vpliva na kvantno mehansko stanje atoma brez absorpcije. Ko elektron v atomu opravi prehod med dvema stacionarnima stanjema (nobeden od njih ne kaže dipolnega polja), vstopi v prehodno stanje, ki ima dipolno polje in deluje kot majhen električni dipol, ki niha z značilno frekvenco.
Kot odgovor na zunanje električno polje pri tej frekvenci se verjetnost prehoda elektrona v takšno stanje znatno poveča. Tako hitrost prehodov med dvema stacionarnima stanjema presega velikost spontane emisije. Prehod iz višjega v nižje energijsko stanje ustvari dodaten foton z enako fazo in smerjo kot vpadni foton. To je proces prisilne emisije.
Odprtje
Stimulirana emisija je bilo Einsteinovo teoretično odkritje v okviru stare kvantne teorije, v kateri je sevanje opisano s fotoni, ki so kvanti elektromagnetnega polja. Takšno sevanje se lahko pojavi tudi v klasičnih modelih brez sklicevanja na fotone ali kvantno mehaniko.
Stimulirano emisijo je mogoče matematično modelirati glede na atom, ki je lahko v enem od dveh elektronskih energijskih stanj, nižjem nivoju (morda osnovnem stanju) in vzbujenem stanju z energijama E1 oziroma E2.
Če je atom v vzbujenem stanju, lahko razpade v nižje stanje s procesom spontane emisije, pri čemer se energijska razlika med obema stanjema sprosti kot foton.
Druga možnost je, če atom v vzbujenem stanju moti električno polje frekvence ν0, lahko oddaja dodaten foton enake frekvence in v fazi, s čimer poveča zunanje polje in pusti atom v nižjem energijskem stanju. Ta proces je znan kot stimulirana emisija.
Sorazmernost
Konstanta sorazmernosti B21, uporabljena v enačbah za določanje spontane in inducirane emisije, je znana kot Einsteinov koeficient B za ta določen prehod, ρ(ν) pa je gostota sevanja vpadnega polja pri frekvenci ν. Tako je hitrost emisije sorazmerna s številom atomov v vzbujenem stanju N2 in gostoto vpadnih fotonov. Takšno je bistvopojavi stimulirane emisije.
Hkrati bo potekal proces atomske absorpcije, ki odstranjuje energijo iz polja in dvigne elektrone iz spodnjega stanja v zgornje. Njegovo hitrost določa v bistvu identična enačba.
Tako se neto moč sprosti v električno polje, ki je enako energiji fotona h, pomnoženi s to neto hitrostjo prehoda. Da je to pozitivno število, ki označuje celotno spontano in inducirano emisijo, mora biti v vzbujenem stanju več atomov kot na nižji ravni.
Razlike
Lastnosti stimulirane emisije v primerjavi s konvencionalnimi viri svetlobe (ki so odvisne od spontane emisije) so, da imajo oddani fotoni enako frekvenco, fazo, polarizacijo in smer širjenja kot vpadni fotoni. Tako so vključeni fotoni medsebojno koherentni. Zato med inverzijo pride do optičnega ojačanja vpadnega sevanja.
Sprememba energije
Čeprav je energija, ki nastane s stimulirano emisijo, vedno na natančni frekvenci polja, ki jo je stimuliralo, zgornji opis izračuna hitrosti velja samo za vzbujanje pri določeni optični frekvenci, jakosti stimuliranega (ali spontanega) emisija se bo zmanjšala glede na imenovano obliko črte. Glede na samo enakomerno širjenje, ki vpliva na atomsko ali molekularno resonanco, je funkcija oblike spektralne črte opisana kot Lorentzova porazdelitev.
Tako se s tem zmanjša stimulirana emisijakoeficient. V praksi lahko pride tudi do širitve oblike črte zaradi nehomogenega širjenja, predvsem zaradi Dopplerjevega učinka, ki je posledica porazdelitve hitrosti v plinu pri določeni temperaturi. Ta ima Gaussovo obliko in zmanjša najvišjo moč funkcije oblike črte. V praktičnem problemu je mogoče celotno funkcijo oblike črte izračunati z zvijanjem posameznih vključenih funkcij oblike črte.
Stimulirana emisija lahko zagotovi fizični mehanizem za optično ojačanje. Če zunanji vir energije spodbudi več kot 50 % atomov v osnovnem stanju, da preidejo v vzbujeno stanje, se ustvari tako imenovana inverzija populacije.
Ko svetloba ustrezne frekvence prehaja skozi obrnjen medij, fotone bodisi absorbirajo atomi, ki ostanejo v osnovnem stanju, bodisi stimulirajo vzbujene atome, da oddajajo dodatne fotone enake frekvence, faze in smeri. Ker je v vzbujenem stanju več atomov kot v osnovnem stanju, je rezultat povečanje vhodne intenzivnosti.
Absorpcija sevanja
V fiziki je absorpcija elektromagnetnega sevanja način, na katerega snov, običajno elektroni atoma, absorbira energijo fotona. Tako se elektromagnetna energija pretvori v notranjo energijo absorberja, kot je toplota. Zmanjšanje intenzivnosti svetlobnega vala, ki se širi v mediju zaradi absorpcije nekaterih njegovih fotonov, se pogosto imenuje slabljenje.
Običajna absorpcija valovni odvisna od njihove intenzivnosti (linearna absorpcija), čeprav pod določenimi pogoji (običajno v optiki) medij spreminja prosojnost glede na intenzivnost prepuščenih valov in nasičene absorpcije.
Obstaja več načinov za kvantificiranje, kako hitro in učinkovito se sevanje absorbira v danem okolju, kot je absorpcijski koeficient in nekatere tesno povezane izpeljane količine.
faktor slabljenja
Več funkcij faktorja slabljenja:
- Faktor slabljenja, ki je včasih, vendar ne vedno, sinonim za faktor absorpcije.
- Molarna absorpcijska zmogljivost se imenuje molarni ekstinkcioni koeficient. To je absorpcija, deljena z molarnostjo.
- Faktor oslabitve mase je faktor absorpcije, deljen z gostoto.
- Prečni prerez absorpcije in sipanja sta tesno povezana s koeficientoma (absorpcija in oslabitev).
- Izumrtje v astronomiji je enako faktorju dušenja.
Konstanta za enačbe
Druga merila absorpcije sevanja so globina penetracije in kožni učinek, konstanta širjenja, konstanta slabljenja, fazna konstanta in kompleksno valovno število, kompleksni lomni količnik in ekstinkcijski koeficient, kompleksna permitivnost, električna upornost in prevodnost.
Absorpcija
Absorpcija (imenovana tudi optična gostota) in optičnaglobina (imenovana tudi optična debelina) sta dve medsebojno povezani meri.
Vse te količine vsaj do neke mere merijo, koliko medij absorbira sevanje. Vendar pa izvajalci različnih področij in metod običajno uporabljajo različne vrednosti, vzete iz zgornjega seznama.
Absorpcija predmeta kvantificira, koliko vpadne svetlobe ta absorbira (namesto odboja ali loma). To je lahko povezano z drugimi lastnostmi predmeta prek Beer-Lambertovega zakona.
Natančne meritve absorbance pri številnih valovnih dolžinah omogočajo identifikacijo snovi z uporabo absorpcijske spektroskopije, kjer je vzorec osvetljen z ene strani. Nekaj primerov absorpcije je ultravijolično vidna spektroskopija, infrardeča spektroskopija in rentgenska absorpcijska spektroskopija.
Prijava
Razumevanje in merjenje absorpcije elektromagnetnega in induciranega sevanja ima veliko uporab.
Ko se distribuira, na primer po radiu, je predstavljen zunaj vidnega polja.
Poznana je tudi stimulirana emisija laserjev.
V meteorologiji in klimatologiji so globalne in lokalne temperature deloma odvisne od absorpcije sevanja z atmosferskimi plini (na primer učinek tople grede), pa tudi od površin kopnega in oceana.
V medicini se rentgenske žarke v različni meri absorbirajo različna tkiva (zlasti kosti), kar je osnova za radiografijo.
Uporablja se tudi v kemiji in znanosti o materialih, kot drugačnamateriali in molekule bodo absorbirali sevanje v različnih stopnjah pri različnih frekvencah, kar bo omogočilo identifikacijo materiala.
Pri optiki so sončna očala, barvni filtri, barvila in drugi podobni materiali posebej zasnovani tako, da upoštevajo, katere vidne valovne dolžine absorbirajo in v kakšnih razmerjih. Struktura očal je odvisna od pogojev, v katerih se pojavi stimulirana emisija.
V biologiji fotosintetični organizmi potrebujejo svetlobo ustrezne valovne dolžine, da se absorbira v aktivni regiji kloroplastov. To je potrebno, da se lahko svetlobna energija pretvori v kemično energijo v sladkorjih in drugih molekulah.
V fiziki je znano, da D-območje zemeljske ionosfere znatno absorbira radijske signale, ki sodijo v visokofrekvenčni elektromagnetni spekter in so povezani z induciranim sevanjem.
V jedrski fiziki se lahko absorpcija jedrskega sevanja uporablja za merjenje nivoja tekočine, denzitometrijo ali meritve debeline.
Glavne uporabe induciranega sevanja so kvantni generatorji, laserji, optične naprave.
