Stimulirana emisija je proces kojim dolazni foton određene frekvencije može komunicirati s pobuđenim atomskim elektronom (ili drugim pobuđenim molekularnim stanjem), uzrokujući njegovo spuštanje na nižu energetsku razinu. Oslobođena energija se prenosi u elektromagnetsko polje, stvarajući novi foton s fazom, frekvencijom, polarizacijom i smjerom gibanja koji su identični fotonima upadnog vala. A to se događa za razliku od spontanog zračenja, koje djeluje u nasumičnim intervalima, ne uzimajući u obzir okolno elektromagnetno polje.
Uvjeti za dobivanje stimulirane emisije
Proces je po obliku identičan atomskoj apsorpciji, u kojoj energija apsorbiranog fotona uzrokuje identičan, ali suprotan atomski prijelaz: od niže uviši nivo energije. U normalnim okruženjima u toplinskoj ravnoteži, apsorpcija premašuje stimuliranu emisiju jer ima više elektrona u nižim energetskim stanjima nego u višim energetskim stanjima.
Međutim, kada je prisutna inverzija populacije, stopa stimulirane emisije premašuje stopu apsorpcije i može se postići čisto optičko pojačanje. Takav medij za pojačavanje, zajedno s optičkim rezonatorom, čini osnovu lasera ili masera. Bez povratnog mehanizma, laserska pojačala i superluminiscentni izvori također rade na temelju stimulirane emisije.
Koji je glavni uvjet za dobivanje stimulirane emisije?
Elektroni i njihova interakcija s elektromagnetskim poljima važni su u našem razumijevanju kemije i fizike. U klasičnom pogledu, energija elektrona koji se okreće oko atomske jezgre veća je za orbite udaljene od atomske jezgre.
Kada elektron apsorbira svjetlosnu energiju (fotone) ili toplinsku energiju (fononi), on prima taj upadni kvant energije. No prijelazi su dopušteni samo između diskretnih energetskih razina, kao što su dvije prikazane u nastavku. To rezultira emisijskim i apsorpcijskim linijama.
energetski aspekt
Dalje ćemo govoriti o glavnom uvjetu za dobivanje induciranog zračenja. Kada se elektron pobuđuje s niže na višu energetsku razinu, malo je vjerojatno da će tako ostati zauvijek. Elektron u pobuđenom stanju može se raspasti na nižeenergetsko stanje koje nije zauzeto, u skladu s određenom vremenskom konstantom koja karakterizira ovaj prijelaz.
Kada se takav elektron raspadne bez vanjskog utjecaja, emitirajući foton, to se zove spontana emisija. Faza i smjer povezani s emitiranim fotonom su nasumični. Dakle, materijal s mnogo atoma u takvom pobuđenom stanju može rezultirati zračenjem koje ima uzak spektar (centrirano oko jedne valne duljine svjetlosti), ali pojedinačni fotoni neće imati zajedničke fazne odnose i također će se emitirati u nasumičnim smjerovima. Ovo je mehanizam stvaranja fluorescencije i topline.
Vanjsko elektromagnetno polje na frekvenciji povezanoj s prijelazom može utjecati na kvantno mehaničko stanje atoma bez apsorpcije. Kada elektron u atomu napravi prijelaz između dva stacionarna stanja (od kojih nijedno ne pokazuje dipolno polje), on ulazi u prijelazno stanje koje ima dipolno polje i djeluje poput malog električnog dipola koji oscilira na karakterističnoj frekvenciji.
Kao odgovor na vanjsko električno polje na ovoj frekvenciji, vjerojatnost prijelaza elektrona u takvo stanje značajno raste. Dakle, brzina prijelaza između dva stacionarna stanja premašuje veličinu spontane emisije. Prijelaz iz višeg u niže energetsko stanje stvara dodatni foton s istom fazom i smjerom kao i upadni foton. Ovo je proces prisilne emisije.
Otvaranje
Stimulirana emisija bila je Einsteinovo teorijsko otkriće prema staroj kvantnoj teoriji, u kojoj se zračenje opisuje u terminima fotona, koji su kvanti elektromagnetskog polja. Takvo zračenje se također može pojaviti u klasičnim modelima bez pozivanja na fotone ili kvantnu mehaniku.
Stimulirana emisija može se modelirati matematički dajući atom koji može biti u jednom od dva stanja elektronske energije, stanju niže razine (moguće osnovno stanje) i pobuđenom stanju, s energijama E1 i E2.
Ako je atom u pobuđenom stanju, može se raspasti u niže stanje kroz proces spontane emisije, oslobađajući energetsku razliku između dva stanja kao foton.
Alternativno, ako je atom pobuđenog stanja poremećen električnim poljem frekvencije ν0, on može emitirati dodatni foton iste frekvencije i u fazi, čime se povećava vanjsko polje, ostavljajući atom u niže energetskom stanju. Ovaj proces je poznat kao stimulirana emisija.
Proporcionalnost
Konstanta proporcionalnosti B21 koja se koristi u jednadžbama za određivanje spontane i inducirane emisije poznata je kao Einsteinov koeficijent B za taj određeni prijelaz, a ρ(ν) je gustoća zračenja upadnog polja na frekvenciji ν. Stoga je brzina emisije proporcionalna broju atoma u pobuđenom stanju N2 i gustoći upadnih fotona. Takva je suštinafenomeni stimulirane emisije.
Istovremeno će se odvijati proces atomske apsorpcije, koji uklanja energiju iz polja, podižući elektrone iz nižeg stanja u gornje. Njegova je brzina određena u osnovi identičnom jednadžbom.
Dakle, neto snaga se oslobađa u električno polje jednako energiji fotona h puta ovoj neto brzini prijelaza. Da bi to bio pozitivan broj, koji označava ukupnu spontanu i induciranu emisiju, mora biti više atoma u pobuđenom stanju nego u nižoj razini.
Razlike
Svojstva stimulirane emisije u usporedbi s konvencionalnim izvorima svjetlosti (koji ovise o spontanoj emisiji) je da emitirani fotoni imaju istu frekvenciju, fazu, polarizaciju i smjer širenja kao i upadni fotoni. Dakle, uključeni fotoni su međusobno koherentni. Stoga, tijekom inverzije dolazi do optičkog pojačanja upadnog zračenja.
Promjena energije
Iako je energija generirana stimuliranom emisijom uvijek na točnoj frekvenciji polja koje ju je stimuliralo, gornji opis izračuna brzine odnosi se samo na pobuđivanje na određenoj optičkoj frekvenciji, jačini stimuliranog (ili spontanog) emisija će se smanjiti u skladu s zvanim oblikom linije. Uzimajući u obzir samo jednolično širenje koje utječe na atomsku ili molekularnu rezonanciju, funkcija oblika spektralne linije opisuje se kao Lorentzova raspodjela.
Dakle, stimulirana emisija se time smanjujekoeficijent. U praksi se također može dogoditi proširenje oblika linije zbog nehomogenog širenja, prvenstveno zbog Dopplerovog efekta koji je rezultat raspodjele brzina u plinu pri određenoj temperaturi. Ovo ima Gaussov oblik i smanjuje vršnu snagu funkcije oblika linije. U praktičnom problemu, potpuna funkcija oblika linije može se izračunati konvolviranjem pojedinačnih uključenih funkcija oblika linije.
Stimulirana emisija može pružiti fizički mehanizam za optičko pojačanje. Ako vanjski izvor energije stimulira više od 50% atoma u osnovnom stanju da prijeđu u pobuđeno stanje, tada se stvara ono što se naziva inverzija populacije.
Kada svjetlost odgovarajuće frekvencije prođe kroz obrnuti medij, fotone ili apsorbiraju atomi koji ostaju u osnovnom stanju ili stimuliraju pobuđene atome da emitiraju dodatne fotone iste frekvencije, faze i smjera. Budući da postoji više atoma u pobuđenom stanju nego u osnovnom stanju, rezultat je povećanje ulaznog intenziteta.
Apsorpcija zračenja
U fizici, apsorpcija elektromagnetskog zračenja je način na koji energiju fotona apsorbira materija, obično elektroni atoma. Tako se elektromagnetska energija pretvara u unutarnju energiju apsorbera, kao što je toplina. Smanjenje intenziteta svjetlosnog vala koji se širi u mediju zbog apsorpcije nekih njegovih fotona često se naziva slabljenjem.
Normalno upijanje valovane ovisi o njihovom intenzitetu (linearna apsorpcija), iako pod određenim uvjetima (obično u optici) medij mijenja prozirnost ovisno o intenzitetu prepuštenih valova i zasićenoj apsorpciji.
Postoji nekoliko načina za kvantificiranje koliko se brzo i učinkovito zračenje apsorbira u danom okruženju, kao što je koeficijent apsorpcije i neke usko povezane izvedenice.
Faktor prigušenja
Nekoliko značajki faktora prigušenja:
- Faktor prigušenja, koji je ponekad, ali ne uvijek, sinonim za faktor apsorpcije.
- Molarni apsorpcijski kapacitet naziva se molarni koeficijent ekstinkcije. To je apsorpcija podijeljena s molarnošću.
- Faktor atenuacije mase je faktor apsorpcije podijeljen s gustoćom.
- Poprečni presjeci apsorpcije i raspršenja usko su povezani s koeficijentima (apsorpcija, odnosno prigušenje).
- Izumiranje u astronomiji je jednako faktoru prigušenja.
Konstanta za jednadžbe
Druge mjere apsorpcije zračenja su dubina penetracije i skin efekt, konstanta širenja, konstanta prigušenja, fazna konstanta i kompleksni valni broj, kompleksni indeks loma i koeficijent ekstinkcije, kompleksna permitivnost, električni otpor i vodljivost.
Apsorpcija
Apsorpcija (također se naziva optička gustoća) i optičkadubina (također nazvana optička debljina) dvije su međusobno povezane mjere.
Sve ove veličine mjere, barem donekle, koliko medij apsorbira zračenje. Međutim, praktičari različitih područja i metoda obično koriste različite vrijednosti preuzete s gornjeg popisa.
Apsorpcija objekta kvantificira koliko upadne svjetlosti apsorbira (umjesto refleksije ili loma). To može biti povezano s drugim svojstvima objekta kroz Beer-Lambertov zakon.
Precizna mjerenja apsorpcije na mnogim valnim duljinama omogućuju identifikaciju tvari pomoću apsorpcione spektroskopije, gdje je uzorak osvijetljen s jedne strane. Nekoliko primjera apsorpcije su ultraljubičasta vidljiva spektroskopija, infracrvena spektroskopija i spektroskopija apsorpcije X-zraka.
Prijava
Razumijevanje i mjerenje apsorpcije elektromagnetskog i induciranog zračenja ima mnogo primjena.
Kada se distribuira, na primjer, putem radija, prikazuje se izvan vidokruga.
Stimulirana emisija lasera također je dobro poznata.
U meteorologiji i klimatologiji, globalne i lokalne temperature dijelom ovise o apsorpciji zračenja atmosferskim plinovima (na primjer, efekt staklenika), kao i o površini kopna i oceana.
U medicini, X-zrake se apsorbiraju u različitom stupnju od strane različitih tkiva (posebno kosti), što je osnova za radiografiju.
Također se koristi u kemiji i znanosti o materijalima, kao različitimaterijali i molekule će apsorbirati zračenje u različitim stupnjevima na različitim frekvencijama, omogućujući identifikaciju materijala.
U optici, sunčane naočale, filteri u boji, bojila i drugi slični materijali posebno su dizajnirani da uzmu u obzir koje vidljive valne duljine apsorbiraju i u kojim omjerima. Struktura naočala ovisi o uvjetima pod kojima se pojavljuje stimulirana emisija.
U biologiji, fotosintetski organizmi zahtijevaju svjetlost odgovarajuće valne duljine da bi se apsorbirala u aktivnom području kloroplasta. To je neophodno kako bi se svjetlosna energija mogla pretvoriti u kemijsku energiju unutar šećera i drugih molekula.
U fizici je poznato da D-područje Zemljine ionosfere značajno apsorbira radio signale koji spadaju u visokofrekventni elektromagnetski spektar i povezani su s induciranim zračenjem.
U nuklearnoj fizici, apsorpcija nuklearnog zračenja može se koristiti za mjerenje razine tekućine, denzitometrije ili mjerenja debljine.
Glavne primjene induciranog zračenja su kvantni generatori, laseri, optički uređaji.
