Stimulert emisjon er prosessen der et innkommende foton med en viss frekvens kan samhandle med et eksitert atomelektron (eller annen eksitert molekylær tilstand), og få det til å falle til et lavere energinivå. Den frigjorte energien overføres til det elektromagnetiske feltet, og skaper et nytt foton med en fase, frekvens, polarisering og bevegelsesretning som er identiske med fotonene til den innfallende bølgen. Og dette skjer i motsetning til spontan stråling, som virker med tilfeldige intervaller, uten å ta hensyn til det omkringliggende elektromagnetiske feltet.
Vilkår for å oppnå stimulert utslipp
Prosessen er identisk i form med atomabsorpsjon, der energien til det absorberte fotonet forårsaker en identisk, men motsatt atomovergang: fra lavere tilhøyere energinivå. I normale miljøer i termisk likevekt overstiger absorpsjonen stimulert emisjon fordi det er flere elektroner i lavere energitilstander enn i høyere energitilstander.
Når populasjonsinversjon er tilstede, overskrider imidlertid frekvensen av stimulert utslipp absorpsjonshastigheten, og ren optisk forsterkning kan oppnås. Et slikt forsterkermedium danner sammen med en optisk resonator grunnlaget for en laser eller en maser. I mangel av en tilbakemeldingsmekanisme opererer laserforsterkere og superluminescerende kilder også på grunnlag av stimulert emisjon.
Hva er hovedbetingelsen for å oppnå stimulert utslipp?
Elektroner og deres interaksjoner med elektromagnetiske felt er viktige for vår forståelse av kjemi og fysikk. I det klassiske synet er energien til et elektron som roterer rundt en atomkjerne større for baner langt fra atomkjernen.
Når et elektron absorberer lysenergi (fotoner) eller varmeenergi (fononer), mottar det dette innfallende energikvantumet. Men overganger er kun tillatt mellom diskrete energinivåer, slik som de to vist nedenfor. Dette resulterer i utslipps- og absorpsjonslinjer.
Energiaspekt
Deretter skal vi snakke om hovedbetingelsen for å oppnå indusert stråling. Når et elektron er opphisset fra et lavere til et høyere energinivå, er det usannsynlig at det forblir slik for alltid. Et elektron i en eksitert tilstand kan forfalle til en lavereenergitilstand som ikke er opptatt, i samsvar med en viss tidskonstant som karakteriserer denne overgangen.
Når et slikt elektron henfaller uten ytre påvirkning og sender ut et foton, kalles dette spontanemisjon. Fasen og retningen knyttet til et utsendt foton er tilfeldig. Dermed kan et materiale med mange atomer i en slik eksitert tilstand resultere i stråling som har et sm alt spektrum (sentrert rundt en enkelt bølgelengde av lys), men de enkelte fotonene vil ikke ha felles faseforhold og vil også bli sendt ut i tilfeldige retninger. Dette er mekanismen for fluorescens og varmegenerering.
Eksternt elektromagnetisk felt ved frekvensen assosiert med overgangen kan påvirke den kvantemekaniske tilstanden til atomet uten absorpsjon. Når et elektron i et atom gjør en overgang mellom to stasjonære tilstander (ingen av dem viser et dipolfelt), går det inn i en overgangstilstand som har et dipolfelt og fungerer som en liten elektrisk dipol som svinger med en karakteristisk frekvens.
Som svar på et eksternt elektrisk felt ved denne frekvensen, øker sannsynligheten for en elektronovergang til en slik tilstand betydelig. Dermed overstiger overgangshastigheten mellom to stasjonære tilstander størrelsen på spontan emisjon. Overgangen fra en høyere til en lavere energitilstand skaper et ekstra foton med samme fase og retning som det innfallende fotonet. Dette er den tvungne utslippsprosessen.
Åpning
Stimulert emisjon var Einsteins teoretiske oppdagelse under den gamle kvanteteorien, der stråling er beskrevet i form av fotoner, som er kvanter av det elektromagnetiske feltet. Slik stråling kan også forekomme i klassiske modeller uten referanse til fotoner eller kvantemekanikk.
Stimulert emisjon kan modelleres matematisk gitt et atom som kan være i en av to elektroniske energitilstander, en lavere nivåtilstand (eventuelt en grunntilstand) og en eksitert tilstand, med energiene E1 og E2 henholdsvis.
Hvis et atom er i en eksitert tilstand, kan det forfalle til en lavere tilstand gjennom en prosess med spontan emisjon, og frigjøre energiforskjellen mellom de to tilstandene som et foton.
Alternativt, hvis et eksitert tilstandsatom forstyrres av et elektrisk felt med frekvensen ν0, kan det sende ut et ekstra foton med samme frekvens og i fase, og dermed øke det ytre feltet, og etterlate atomet i en lavere energitilstand. Denne prosessen er kjent som stimulert utslipp.
proporsjonalitet
Proporsjonalitetskonstanten B21 brukt i ligningene for å bestemme spontan og indusert emisjon er kjent som Einstein-koeffisienten B for den spesielle overgangen, og ρ(ν) er strålingstettheten til det innfallende feltet ved frekvensen ν. Dermed er emisjonshastigheten proporsjonal med antall atomer i den eksiterte tilstanden N2 og tettheten av innfallende fotoner. Slik er essensenfenomener med stimulert utslipp.
Samtidig vil prosessen med atomabsorpsjon finne sted, som fjerner energi fra feltet, og hever elektroner fra den nedre tilstanden til den øvre. Hastigheten bestemmes av en i hovedsak identisk ligning.
Dermed frigjøres nettoeffekt til et elektrisk felt lik energien til et foton h ganger denne netto overgangshastigheten. For at dette skal være et positivt tall, som indikerer den totale spontane og induserte emisjonen, må det være flere atomer i eksitert tilstand enn i lavere nivå.
Differences
Egenskapene til stimulert emisjon sammenlignet med konvensjonelle lyskilder (som er avhengig av spontan emisjon) er at de emitterte fotonene har samme frekvens, fase, polarisering og forplantningsretning som de innfallende fotonene. Dermed er de involverte fotonene gjensidig koherente. Derfor, under inversjon, oppstår optisk forsterkning av den innfallende strålingen.
Energy Change
Selv om energien som genereres av stimulert emisjon alltid er på den nøyaktige frekvensen til feltet som stimulerte den, gjelder beskrivelsen ovenfor av hastighetsberegningen kun for eksitasjon ved en spesifikk optisk frekvens, styrken til stimulert (eller spontan) utslipp vil avta i henhold til k alt linjeform. Med tanke på bare ensartet utvidelse som påvirker atom- eller molekylresonans, beskrives spektrallinjeformfunksjonen som en Lorentz-fordeling.
Dermed reduseres det stimulerte utslippet av dettekoeffisient. I praksis kan også linjeformutvidelse på grunn av inhomogen utvidelse finne sted, først og fremst på grunn av dopplereffekten som følge av fordeling av hastigheter i gassen ved en viss temperatur. Denne har en gaussisk form og reduserer toppstyrken til linjeformfunksjonen. I et praktisk problem kan den komplette linjeformsfunksjonen beregnes ved å konvolvere de individuelle linjeformsfunksjonene som er involvert.
Stimulert emisjon kan gi en fysisk mekanisme for optisk forsterkning. Hvis en ekstern energikilde stimulerer mer enn 50 % av atomene i grunntilstanden til å gå over til en eksitert tilstand, skapes det som kalles en populasjonsinversjon.
Når lys med passende frekvens passerer gjennom et invertert medium, absorberes fotoner enten av atomer som forblir i grunntilstanden eller stimulerer de eksiterte atomene til å sende ut flere fotoner med samme frekvens, fase og retning. Siden det er flere atomer i den eksiterte tilstanden enn i grunntilstanden, er resultatet en økning i inngangsintensiteten.
Strålingsabsorpsjon
I fysikk er absorpsjon av elektromagnetisk stråling måten energien til et foton absorberes av materie, vanligvis elektronene til et atom. Dermed blir den elektromagnetiske energien omdannet til absorberens indre energi, for eksempel varme. Nedgangen i intensiteten til en lysbølge som forplanter seg i et medium på grunn av absorpsjonen av noen av dets fotoner kalles ofte demping.
Norm alt bølgeabsorpsjonavhenger ikke av deres intensitet (lineær absorpsjon), selv om mediet under visse forhold (vanligvis i optikk) endrer transparens avhengig av intensiteten til overførte bølger og mettbar absorpsjon.
Det er flere måter å kvantifisere hvor raskt og effektivt stråling absorberes i et gitt miljø, for eksempel absorpsjonskoeffisienten og noen nært beslektede avledede størrelser.
Dempningsfaktor
Flere dempningsfaktorfunksjoner:
- Dempningsfaktor, som noen ganger, men ikke alltid, er synonymt med absorpsjonsfaktor.
- Molar absorpsjonskapasitet kalles den molare ekstinksjonskoeffisienten. Det er absorbansen delt på molariteten.
- Massedempningsfaktoren er absorpsjonsfaktoren delt på tettheten.
- Absorpsjons- og spredningstverrsnittene er nært knyttet til koeffisientene (henholdsvis absorpsjon og dempning).
- Utryddelse i astronomi tilsvarer dempningsfaktoren.
Konstant for ligninger
Andre mål for strålingsabsorpsjon er penetrasjonsdybde og hudeffekt, forplantningskonstant, dempningskonstant, fasekonstant og komplekst bølgetall, kompleks brytningsindeks og ekstinksjonskoeffisient, kompleks permittivitet, elektrisk resistivitet og konduktivitet.
Absorpsjon
Absorpsjon (også k alt optisk tetthet) og optiskdybde (også k alt optisk tykkelse) er to sammenhengende mål.
Alle disse mengdene måler, i det minste til en viss grad, hvor mye et medium absorberer stråling. Imidlertid bruker utøvere av forskjellige felt og metoder vanligvis forskjellige verdier hentet fra listen ovenfor.
Absorpsjonen til et objekt kvantifiserer hvor mye innfallende lys som absorberes av det (i stedet for refleksjon eller brytning). Dette kan være relatert til andre egenskaper ved objektet gjennom Beer–Lambert-loven.
Nøyaktige målinger av absorbans ved mange bølgelengder gjør det mulig å identifisere et stoff ved hjelp av absorpsjonsspektroskopi, hvor prøven belyses fra den ene siden. Noen få eksempler på absorpsjon er ultrafiolett-synlig spektroskopi, infrarød spektroskopi og røntgenabsorpsjonsspektroskopi.
Application
Forståelse og måling av absorpsjon av elektromagnetisk og indusert stråling har mange bruksområder.
Når den distribueres, for eksempel via radio, presenteres den utenfor synsvidde.
Den stimulerte emisjonen av lasere er også velkjent.
I meteorologi og klimatologi er globale og lokale temperaturer delvis avhengig av absorpsjon av stråling fra atmosfæriske gasser (for eksempel drivhuseffekten), samt land- og havoverflater.
I medisin absorberes røntgenstråler i ulik grad av ulike vev (spesielt bein), som er grunnlaget for radiografi.
Brukes også i kjemi og materialvitenskap, som forskjelligmaterialer og molekyler vil absorbere stråling i forskjellige grader ved forskjellige frekvenser, slik at materialet kan identifiseres.
I optikk er solbriller, fargefiltre, fargestoffer og andre lignende materialer spesielt utviklet for å ta hensyn til hvilke synlige bølgelengder de absorberer og i hvilke proporsjoner. Strukturen til briller avhenger av forholdene som stimulert utslipp oppstår under.
I biologi krever fotosyntetiske organismer lys med passende bølgelengde for å bli absorbert i det aktive området av kloroplaster. Dette er nødvendig for at lysenergi kan omdannes til kjemisk energi i sukker og andre molekyler.
Det er kjent i fysikk at D-regionen av jordens ionosfære i betydelig grad absorberer radiosignaler som faller inn i det høyfrekvente elektromagnetiske spekteret og er assosiert med indusert stråling.
I kjernefysikk kan absorpsjon av kjernefysisk stråling brukes til å måle væskenivåer, densitometri eller tykkelsesmålinger.
De viktigste bruksområdene for indusert stråling er kvantegeneratorer, lasere, optiske enheter.
