A stimulált emisszió az a folyamat, amelynek során egy bizonyos frekvenciájú bejövő foton kölcsönhatásba léphet egy gerjesztett atomelektronnal (vagy más gerjesztett molekulaállapottal), aminek következtében az alacsonyabb energiaszintre csökken. A felszabaduló energia az elektromágneses térbe kerül, új fotont hozva létre, amelynek fázisa, frekvenciája, polarizációja és mozgásiránya megegyezik a beeső hullám fotonjaival. És ez a spontán sugárzással ellentétben történik, amely véletlenszerű időközönként működik, anélkül, hogy figyelembe venné a környező elektromágneses teret.
A stimulált emisszió elérésének feltételei
A folyamat formáját tekintve megegyezik az atomabszorpcióval, amelyben az elnyelt foton energiája azonos, de ellentétes atomi átmenetet idéz elő: alacsonyabbrólmagasabb energiaszint. Normál környezetben, termikus egyensúly mellett az abszorpció meghaladja a stimulált emissziót, mivel több elektron van alacsonyabb energiájú állapotban, mint magasabb energiájú állapotban.
Ha azonban populációinverzió van jelen, a stimulált emisszió sebessége meghaladja az abszorpció sebességét, és tiszta optikai erősítést lehet elérni. Egy ilyen erősítő közeg egy optikai rezonátorral együtt egy lézer vagy egy maser alapját képezi. Visszacsatolási mechanizmus hiányában a lézererősítők és a szuperlumineszcens források is stimulált emisszió alapján működnek.
Mi a fő feltétele a stimulált emisszió elérésének?
Az elektronok és elektromágneses mezőkkel való kölcsönhatásaik fontosak a kémia és a fizika megértésében. A klasszikus felfogás szerint az atommag körül keringő elektron energiája nagyobb az atommagtól távoli pályákon.
Amikor egy elektron fényenergiát (fotonokat) vagy hőenergiát (fononokat) nyel el, megkapja ezt a beeső energiakvantumot. Ám az átmenetek csak diszkrét energiaszintek között megengedettek, például az alábbiakban látható kettő között. Ez emissziós és abszorpciós vonalakat eredményez.
Energiabeli szempont
Ezután az indukált sugárzás megszerzésének fő feltételéről fogunk beszélni. Ha egy elektront alacsonyabb energiaszintről magasabb szintre gerjesztenek, nem valószínű, hogy örökké így marad. A gerjesztett állapotban lévő elektron alacsonyabb szintre bomlik lenem fogl alt energiaállapot, az átmenetet jellemző bizonyos időállandónak megfelelően.
Amikor egy ilyen elektron külső hatás nélkül bomlik le, és fotont bocsát ki, ezt spontán emissziónak nevezik. A kibocsátott fotonhoz tartozó fázis és irány véletlenszerű. Így egy ilyen gerjesztett állapotban sok atomot tartalmazó anyag szűk spektrumú sugárzást eredményezhet (a fény egyetlen hullámhossza köré összpontosul), de az egyes fotonoknak nem lesz közös fáziskapcsolata, és véletlenszerű irányban is kisugároznak. Ez a fluoreszcencia és a hőtermelés mechanizmusa.
A külső elektromágneses mező az átmenethez tartozó frekvencián abszorpció nélkül befolyásolhatja az atom kvantummechanikai állapotát. Amikor egy elektron egy atomban átmenetet hoz két stacionárius állapot között (egyik sem mutat dipólusteret), akkor olyan átmeneti állapotba kerül, amely dipólustérrel rendelkezik, és úgy viselkedik, mint egy kis elektromos dipólus, amely jellegzetes frekvencián rezeg.
Külső elektromos tér hatására ezen a frekvencián jelentősen megnő annak a valószínűsége, hogy az elektron ilyen állapotba kerül. Így két stacionárius állapot közötti átmenetek sebessége meghaladja a spontán emisszió nagyságát. A magasabb energiájú állapotból az alacsonyabb energiájú állapotba való átmenet további fotont hoz létre, amelynek fázisa és iránya megegyezik a beeső fotonnal. Ez a kényszerkibocsátási folyamat.
Nyitás
A stimulált emisszió Einstein elméleti felfedezése volt a régi kvantumelmélet alapján, amelyben a sugárzást fotonokkal írják le, amelyek az elektromágneses mező kvantumai. Ilyen sugárzás a klasszikus modellekben is előfordulhat fotonokra vagy kvantummechanikára való hivatkozás nélkül.
A stimulált emisszió matematikailag modellezhető, ha egy atom két elektronikus energiájú állapot, egy alacsonyabb szintű (esetleg alapállapot) és egy gerjesztett állapot egyikében lehet, E1 és E2 energiákkal.
Ha egy atom gerjesztett állapotban van, spontán emissziós folyamat révén alacsonyabb állapotba bomlik, és a két állapot közötti energiakülönbség fotonként szabadul fel.
Alternatív megoldásként, ha egy gerjesztett állapotú atomot megzavar egy ν0 frekvenciájú elektromos tér, akkor további, azonos frekvenciájú és fázisú fotont bocsáthat ki, ezáltal növelve a külső mezőt, és az atomot alacsonyabb energiájú állapotban hagyja.. Ezt a folyamatot stimulált emissziónak nevezik.
Arányosság
A spontán és indukált emisszió meghatározására szolgáló egyenletekben használt B21 arányossági állandó az adott átmenet B Einstein-együtthatójaként ismert, és ρ(ν) a beeső mező sugárzási sűrűsége ν frekvencián. Így az emissziós sebesség arányos az N2 gerjesztett állapotban lévő atomok számával és a beeső fotonok sűrűségével. Ez a lényega stimulált emisszió jelenségei.
Ugyanakkor lezajlik az atomabszorpciós folyamat, amely energiát von el a mezőből, elektronokat emelve az alsó állapotból a felsőbe. A sebességét egy lényegében azonos egyenlet határozza meg.
Így a nettó teljesítmény egy elektromos térbe kerül, amely egyenlő egy foton energiájával, ennek a nettó átmeneti sebességnek a h-szorosával. Ahhoz, hogy ez pozitív szám legyen, amely a teljes spontán és indukált emissziót jelzi, több atomnak kell lennie gerjesztett állapotban, mint az alsó szinten.
Különbségek
A stimulált emisszió tulajdonsága a hagyományos fényforrásokhoz képest (amelyek a spontán emissziótól függenek), hogy a kibocsátott fotonok frekvenciája, fázisa, polarizációja és terjedési iránya megegyezik a beeső fotonokkal. Így az érintett fotonok kölcsönösen koherensek. Ezért az inverzió során a beeső sugárzás optikai felerősítése következik be.
Energiaváltás
Bár a stimulált emisszió által generált energia mindig az azt stimuláló mező pontos frekvenciáján van, a sebességszámítás fenti leírása csak egy meghatározott optikai frekvencián, a stimulált (vagy spontán) erősségű gerjesztésre vonatkozik. Az emisszió az úgynevezett vonalalak szerint csökken. Figyelembe véve csak az atomi vagy molekuláris rezonanciát befolyásoló egyenletes szélesítést, a spektrális vonal alakfüggvényét Lorentz-eloszlásként írjuk le.
Így a stimulált emisszió ezzel csökkenegyüttható. A gyakorlatban az inhomogén kiszélesedés következtében kialakuló vonalalak kiszélesedése is megtörténhet, elsősorban a Doppler-effektus következtében, amely a gázban egy bizonyos hőmérsékleten történő sebességeloszlásból adódik. Ennek Gauss alakja van, és csökkenti a vonalalak függvény csúcsszilárdságát. Egy gyakorlati feladatban a teljes vonalalak függvény kiszámítható az egyes érintett vonalalak függvények összevonásával.
A stimulált emisszió fizikai mechanizmust biztosíthat az optikai erősítéshez. Ha egy külső energiaforrás az alapállapotban lévő atomok több mint 50%-át gerjesztett állapotba való átmenetre serkenti, akkor létrejön az úgynevezett populációs inverzió.
Amikor a megfelelő frekvenciájú fény áthalad egy fordított közegen, a fotonokat vagy elnyelik az alapállapotban maradó atomok, vagy arra ösztönzik a gerjesztett atomokat, hogy további, azonos frekvenciájú, fázisú és irányú fotonokat bocsátanak ki. Mivel gerjesztett állapotban több atom van, mint alapállapotban, az eredmény a bemeneti intenzitás növekedése.
Sugárzáselnyelés
A fizikában az elektromágneses sugárzás abszorpciója az a mód, ahogyan egy foton energiáját elnyeli az anyag, általában egy atom elektronja. Így az elektromágneses energia az abszorber belső energiájává, például hővé alakul. A közegben terjedő fényhullám intenzitásának egyes fotonjainak abszorpciója miatti csökkenését gyakran nevezik csillapításnak.
Normál esetben hullámelnyelésnem függ intenzitásuktól (lineáris abszorpció), bár bizonyos körülmények között (általában az optikában) a közeg megváltoztatja az átlátszóságot az átvitt hullámok intenzitásától és a telíthető abszorpciótól függően.
Többféle módszer létezik annak számszerűsítésére, hogy a sugárzás milyen gyorsan és hatékonyan nyelődik el egy adott környezetben, például az abszorpciós együttható és néhány ehhez szorosan kapcsolódó derivált mennyiség.
Csillapítási tényező
Több csillapítási tényező jellemzője:
- Csillapítási tényező, amely néha, de nem mindig, az abszorpciós tényező szinonimája.
- A moláris abszorpciós kapacitást moláris extinkciós együtthatónak nevezzük. Ez az abszorbancia osztva a molaritással.
- A tömegcsillapítási tényező az abszorpciós tényező osztva a sűrűséggel.
- Az abszorpciós és szórási keresztmetszetek szorosan összefüggnek az együtthatókkal (abszorpció és csillapítás).
- A kihalás a csillagászatban egyenlő a csillapítási tényezővel.
Állandó az egyenletekhez
A sugárzáselnyelés egyéb mértékei a behatolási mélység és a bőrhatás, a terjedési állandó, a csillapítási állandó, a fázisállandó és a komplex hullámszám, az összetett törésmutató és az extinkciós együttható, a komplex permittivitás, az elektromos ellenállás és vezetőképesség.
Abszorpció
Abszorpció (optikai sűrűségnek is nevezik) és optikaia mélység (más néven optikai vastagság) két egymással összefüggő mérték.
Ezek a mennyiségek – legalábbis bizonyos mértékig – azt mérik, hogy egy közeg mennyire nyeli el a sugárzást. A különböző területek és módszerek gyakorlói azonban általában a fenti listából vett különböző értékeket használnak.
A tárgy abszorpciója számszerűsíti, hogy mennyi beeső fényt nyel el (visszaverődés vagy fénytörés helyett). Ez összefüggésbe hozható az objektum egyéb tulajdonságaival a Beer–Lambert törvényen keresztül.
Az abszorbancia pontos mérése sok hullámhosszon lehetővé teszi az anyag azonosítását abszorpciós spektroszkópia segítségével, ahol a mintát az egyik oldalról megvilágítják. Az abszorpció néhány példája az ultraibolya látható spektroszkópia, az infravörös spektroszkópia és a röntgenabszorpciós spektroszkópia.
Alkalmazás
Az elektromágneses és indukált sugárzás abszorpciójának megértése és mérése számos alkalmazási területet kínál.
Ha például rádión terjesztik, akkor a látótávolságon kívül jelenik meg.
A lézerek stimulált emissziója szintén jól ismert.
A meteorológiában és a klimatológiában a globális és helyi hőmérsékletek részben a légköri gázok (például üvegházhatás), valamint a szárazföldi és óceáni felszínek sugárzáselnyelésétől függenek.
Az orvostudományban a röntgensugárzást különböző mértékben abszorbeálják a különböző szövetek (különösen a csontok), ami a radiográfia alapja.
A kémiában és az anyagtudományban is használják, mint másaz anyagok és molekulák különböző mértékben, különböző frekvenciákon nyeljék el a sugárzást, ami lehetővé teszi az anyag azonosítását.
Az optikában a napszemüvegeket, a színszűrőket, a festékeket és más hasonló anyagokat kifejezetten úgy tervezték, hogy figyelembe vegyék, milyen látható hullámhosszakat nyelnek el és milyen arányban. A szemüveg szerkezete attól függ, hogy milyen körülmények között jelenik meg a stimulált emisszió.
A biológiában a fotoszintetikus szervezeteknek megfelelő hullámhosszú fényre van szükségük ahhoz, hogy a kloroplasztiszok aktív tartományában elnyeljék őket. Erre azért van szükség, hogy a fényenergia kémiai energiává alakulhasson a cukrokban és más molekulákban.
A fizikában ismert, hogy a Föld ionoszférájának D-régiója jelentősen elnyeli a nagyfrekvenciás elektromágneses spektrumba eső, indukált sugárzással kapcsolatos rádiójeleket.
A magfizikában a magsugárzás abszorpciója felhasználható folyadékszint mérésére, denzitometriára vagy vastagságmérésre.
Az indukált sugárzás fő alkalmazásai a kvantumgenerátorok, lézerek, optikai eszközök.
