Emisja stymulowana to proces, w którym nadchodzący foton o określonej częstotliwości może oddziaływać ze wzbudzonym elektronem atomowym (lub innym wzbudzonym stanem molekularnym), powodując jego spadek do niższego poziomu energii. Uwolniona energia jest przekazywana do pola elektromagnetycznego, tworząc nowy foton o fazie, częstotliwości, polaryzacji i kierunku ruchu identycznych z fotonami fali padającej. A dzieje się tak w przeciwieństwie do promieniowania spontanicznego, które działa w losowych odstępach czasu, bez uwzględnienia otaczającego pola elektromagnetycznego.
Warunki uzyskania emisji stymulowanej
Proces ma identyczną formę jak absorpcja atomowa, w której energia zaabsorbowanego fotonu powoduje identyczne, ale przeciwne przejście atomowe: od niższego dowyższy poziom energii. W normalnych środowiskach w równowadze termicznej absorpcja przewyższa emisję stymulowaną, ponieważ w stanach o niższej energii jest więcej elektronów niż w stanach o wyższej energii.
Jednak gdy występuje inwersja populacji, szybkość stymulowanej emisji przekracza szybkość absorpcji i można uzyskać czyste wzmocnienie optyczne. Taki ośrodek wzmacniający wraz z rezonatorem optycznym stanowi podstawę lasera lub masera. Wzmacniacze laserowe i źródła superluminescencyjne, pozbawione mechanizmu sprzężenia zwrotnego, działają również w oparciu o wymuszoną emisję.
Jaki jest główny warunek uzyskania emisji wymuszonej?
Elektrony i ich interakcje z polami elektromagnetycznymi są ważne dla naszego zrozumienia chemii i fizyki. W klasycznym ujęciu energia elektronu krążącego wokół jądra atomowego jest większa dla orbit oddalonych od jądra atomowego.
Kiedy elektron pochłania energię świetlną (fotony) lub energię cieplną (fonony), otrzymuje ten padający kwant energii. Ale przejścia są dozwolone tylko między dyskretnymi poziomami energii, takimi jak dwa pokazane poniżej. Powoduje to powstanie linii emisyjnych i absorpcyjnych.
Aspekt energetyczny
Następnie porozmawiamy o głównym warunku uzyskania promieniowania indukowanego. Kiedy elektron jest podekscytowany z niższego na wyższy poziom energii, jest mało prawdopodobne, aby tak pozostał na zawsze. Elektron w stanie wzbudzonym może rozpaść się do niższegostan energetyczny, który nie jest zajęty, zgodnie z określoną stałą czasową charakteryzującą to przejście.
Kiedy taki elektron rozpada się bez wpływu zewnętrznego, emitując foton, nazywa się to emisją spontaniczną. Faza i kierunek związane z emitowanym fotonem są losowe. Zatem materiał z wieloma atomami w takim stanie wzbudzonym może skutkować promieniowaniem o wąskim widmie (skoncentrowanym wokół pojedynczej długości fali światła), ale poszczególne fotony nie będą miały wspólnych zależności fazowych i również będą emitowane w losowych kierunkach. To jest mechanizm fluorescencji i wytwarzania ciepła.
Zewnętrzne pole elektromagnetyczne o częstotliwości związanej z przejściem może wpływać na stan mechaniki kwantowej atomu bez absorpcji. Kiedy elektron w atomie przechodzi między dwoma stanami stacjonarnymi (z których żaden nie wykazuje pola dipolowego), wchodzi w stan przejściowy, który ma pole dipolowe i zachowuje się jak mały dipol elektryczny, który oscyluje z charakterystyczną częstotliwością.
W odpowiedzi na zewnętrzne pole elektryczne o tej częstotliwości, prawdopodobieństwo przejścia elektronu do takiego stanu znacznie wzrasta. Tak więc szybkość przejść między dwoma stanami stacjonarnymi przekracza wielkość emisji spontanicznej. Przejście ze stanu o wyższej energii do stanu o niższej energii tworzy dodatkowy foton o tej samej fazie i kierunku, co foton padający. To jest wymuszony proces emisji.
Otwarcie
Emisja stymulowana była teoretycznym odkryciem Einsteina w ramach starej teorii kwantowej, w której promieniowanie jest opisane za pomocą fotonów, które są kwantami pola elektromagnetycznego. Takie promieniowanie może również wystąpić w klasycznych modelach bez odniesienia do fotonów czy mechaniki kwantowej.
Emisja stymulowana może być modelowana matematycznie dla atomu, który może znajdować się w jednym z dwóch elektronowych stanów energetycznych, stanie o niższym poziomie (prawdopodobnie w stanie podstawowym) i stanie wzbudzonym, o energiach odpowiednio E1 i E2.
Jeżeli atom jest w stanie wzbudzonym, może rozpaść się w niższy stan w procesie spontanicznej emisji, uwalniając różnicę energii między dwoma stanami w postaci fotonu.
Alternatywnie, jeśli atom w stanie wzbudzonym jest zaburzony przez pole elektryczne o częstotliwości ν0, może wyemitować dodatkowy foton o tej samej częstotliwości i tej samej fazie, zwiększając w ten sposób pole zewnętrzne, pozostawiając atom w niższym stanie energetycznym. Proces ten jest znany jako emisja stymulowana.
Proporcjonalność
Stała proporcjonalności B21 używana w równaniach określania emisji spontanicznej i indukowanej jest znana jako współczynnik Einsteina B dla tego konkretnego przejścia, a ρ(ν) jest gęstością promieniowania pola padającego przy częstotliwości ν. Zatem szybkość emisji jest proporcjonalna do liczby atomów w stanie wzbudzonym N2 i gęstości padających fotonów. Taka jest istotazjawiska emisji wymuszonej.
W tym samym czasie nastąpi proces absorpcji atomowej, który usuwa energię z pola, podnosząc elektrony ze stanu dolnego do stanu górnego. Jego prędkość określa zasadniczo identyczne równanie.
W ten sposób moc netto jest uwalniana do pola elektrycznego równego energii fotonu h razy ta szybkość przejścia netto. Aby była to liczba dodatnia, oznaczająca całkowitą emisję spontaniczną i indukowaną, musi być więcej atomów w stanie wzbudzonym niż na niższym poziomie.
Różnice
Właściwości emisji wymuszonej w porównaniu z konwencjonalnymi źródłami światła (które zależą od emisji spontanicznej) polegają na tym, że emitowane fotony mają taką samą częstotliwość, fazę, polaryzację i kierunek propagacji jak fotony padające. W ten sposób zaangażowane fotony są wzajemnie spójne. Dlatego podczas inwersji następuje optyczne wzmocnienie padającego promieniowania.
Zmiana energii
Chociaż energia generowana przez stymulowaną emisję ma zawsze dokładną częstotliwość pola, które ją stymulowało, powyższy opis obliczania prędkości dotyczy tylko wzbudzenia o określonej częstotliwości optycznej, sile stymulowanej (lub spontanicznej) emisja zmniejszy się zgodnie z tzw. kształtem linii. Biorąc pod uwagę tylko równomierne poszerzenie wpływające na rezonans atomowy lub molekularny, funkcja kształtu linii widmowej jest opisana jako rozkład Lorentza.
W ten sposób stymulowana emisja jest przez to zmniejszonawspółczynnik. W praktyce może nastąpić również poszerzenie kształtu linii na skutek poszerzenia niejednorodnego, przede wszystkim ze względu na efekt Dopplera wynikający z rozkładu prędkości w gazie w określonej temperaturze. Ma to kształt Gaussa i zmniejsza siłę szczytową funkcji kształtu linii. W praktycznym problemie, pełną funkcję kształtu linii można obliczyć przez splot poszczególnych zaangażowanych funkcji kształtu linii.
Emisja stymulowana może zapewnić fizyczny mechanizm wzmocnienia optycznego. Jeśli zewnętrzne źródło energii stymuluje ponad 50% atomów w stanie podstawowym do przejścia do stanu wzbudzonego, powstaje tak zwana inwersja populacji.
Kiedy światło o odpowiedniej częstotliwości przechodzi przez odwrócony ośrodek, fotony są albo absorbowane przez atomy, które pozostają w stanie podstawowym, albo pobudzają wzbudzone atomy do emisji dodatkowych fotonów o tej samej częstotliwości, fazie i kierunku. Ponieważ w stanie wzbudzonym jest więcej atomów niż w stanie podstawowym, wynikiem tego jest wzrost natężenia wejściowego.
Pochłanianie promieniowania
W fizyce absorpcja promieniowania elektromagnetycznego to sposób, w jaki energia fotonu jest pochłaniana przez materię, zwykle elektrony atomu. W ten sposób energia elektromagnetyczna jest zamieniana na energię wewnętrzną absorbera, taką jak ciepło. Spadek natężenia fali świetlnej rozchodzącej się w ośrodku na skutek absorpcji części jego fotonów jest często nazywany tłumieniem.
Normalnie pochłanianie falinie zależy od ich natężenia (pochłanianie liniowe), chociaż w pewnych warunkach (najczęściej w optyce) ośrodek zmienia przezroczystość w zależności od natężenia przesyłanych fal i pochłaniania nasyconego.
Istnieje kilka sposobów ilościowego określenia, jak szybko i skutecznie promieniowanie jest pochłaniane w danym środowisku, takich jak współczynnik absorpcji i niektóre ściśle powiązane wielkości pochodne.
Współczynnik tłumienia
Kilka funkcji współczynnika tłumienia:
- Współczynnik tłumienia, który czasami, ale nie zawsze, jest synonimem współczynnika pochłaniania.
- Molarna zdolność absorpcji nazywana jest molowym współczynnikiem ekstynkcji. Jest to absorbancja podzielona przez molarność.
- Współczynnik tłumienia masy to współczynnik absorpcji podzielony przez gęstość.
- Przekroje absorpcji i rozpraszania są ściśle powiązane ze współczynnikami (odpowiednio absorpcja i tłumienie).
- Wymieranie w astronomii jest równoważne współczynnikowi tłumienia.
Stała dla równań
Inne miary absorpcji promieniowania to głębokość penetracji i efekt naskórkowy, stała propagacji, stała tłumienia, stała fazowa i zespolona liczba falowa, złożony współczynnik załamania i współczynnik ekstynkcji, zespolona przenikalność elektryczna, oporność elektryczna i przewodność.
Wchłanianie
Absorbcja (zwana również gęstością optyczną) i optycznagłębokość (zwana również grubością optyczną) to dwie wzajemnie powiązane miary.
Wszystkie te wielkości mierzą, przynajmniej w pewnym stopniu, jak bardzo medium pochłania promieniowanie. Jednak praktycy różnych dziedzin i metod zwykle stosują różne wartości zaczerpnięte z powyższej listy.
Pochłanianie obiektu określa ilościowo, ile padającego światła jest przez niego pochłaniane (zamiast odbicia lub załamania). Może to być związane z innymi właściwościami obiektu poprzez prawo Beera-Lamberta.
Precyzyjne pomiary absorbancji przy wielu długościach fali umożliwiają identyfikację substancji za pomocą spektroskopii absorpcyjnej, w której próbka jest oświetlana z jednej strony. Kilka przykładów absorpcji to spektroskopia ultrafioletowo-widzialna, spektroskopia w podczerwieni i spektroskopia absorpcji promieniowania rentgenowskiego.
Aplikacja
Zrozumienie i pomiar absorpcji promieniowania elektromagnetycznego i indukowanego ma wiele zastosowań.
Gdy jest dystrybuowany, na przykład przez radio, jest prezentowany poza zasięgiem wzroku.
Symulowana emisja laserów jest również dobrze znana.
W meteorologii i klimatologii globalne i lokalne temperatury zależą częściowo od absorpcji promieniowania przez gazy atmosferyczne (np. efekt cieplarniany), a także od powierzchni lądów i oceanów.
W medycynie promieniowanie rentgenowskie jest w różnym stopniu absorbowane przez różne tkanki (w szczególności kości), co jest podstawą radiografii.
Stosowany również w chemii i materiałoznawstwie, jako innymateriały i cząsteczki będą absorbować promieniowanie w różnym stopniu przy różnych częstotliwościach, umożliwiając identyfikację materiału.
W optyce okulary przeciwsłoneczne, kolorowe filtry, barwniki i inne podobne materiały są specjalnie projektowane z uwzględnieniem tego, jakie widzialne długości fal pochłaniają iw jakich proporcjach. Struktura szkieł zależy od warunków, w jakich pojawia się emisja wymuszona.
W biologii organizmy fotosyntetyczne wymagają światła o odpowiedniej długości fali, aby zostało zaabsorbowane w aktywnym obszarze chloroplastów. Jest to konieczne, aby energia świetlna mogła zostać przekształcona w energię chemiczną w cukrach i innych cząsteczkach.
W fizyce wiadomo, że region D jonosfery Ziemi w znacznym stopniu pochłania sygnały radiowe, które wchodzą w zakres elektromagnetycznego widma o wysokiej częstotliwości i są związane z promieniowaniem indukowanym.
W fizyce jądrowej absorpcja promieniowania jądrowego może być wykorzystywana do pomiaru poziomu cieczy, densytometrii lub pomiarów grubości.
Główne zastosowania promieniowania indukowanego to generatory kwantowe, lasery, urządzenia optyczne.
