Stimuloitu emissio on prosessi, jossa tietyn taajuuden omaava fotoni voi olla vuorovaikutuksessa virittyneen atomielektronin (tai muun virittyneen molekyylitilan) kanssa, jolloin se putoaa alemmalle energiatasolle. Vapautunut energia siirretään sähkömagneettiseen kenttään, jolloin syntyy uusi fotoni, jonka vaihe, taajuus, polarisaatio ja liikesuunta ovat identtisiä tulevan aallon fotonien kanssa. Ja tämä tapahtuu toisin kuin spontaani säteily, joka toimii satunnaisin väliajoin ottamatta huomioon ympäröivää sähkömagneettista kenttää.
Edellytykset stimuloidun emission saamiseksi
Prosessi on muodoltaan identtinen atomiabsorption kanssa, jossa absorboituneen fotonin energia aiheuttaa identtisen mutta vastakkaisen atomisiirtymän: alemmastakorkeampi energiataso. Normaalissa lämpötasapainossa absorptio ylittää stimuloidun emission, koska alhaisemmissa energiatiloissa on enemmän elektroneja kuin korkeammissa energiatiloissa.
Kuitenkin populaation inversion esiintyessä stimuloidun emission nopeus ylittää absorptionopeuden ja puhdas optinen vahvistus voidaan saavuttaa. Tällainen vahvistusväliaine yhdessä optisen resonaattorin kanssa muodostaa laserin tai maserin perustan. Takaisinkytkentämekanismin puuttuessa laservahvistimet ja superluminoivat lähteet toimivat myös stimuloidun emission perusteella.
Mikä on stimuloidun emission pääehto?
Elektronit ja niiden vuorovaikutukset sähkömagneettisten kenttien kanssa ovat tärkeitä kemian ja fysiikan ymmärtämisessämme. Klassisessa näkemyksessä atomin ytimen ympäri kiertävän elektronin energia on suurempi kiertoradalla, joka on kaukana atomin ytimestä.
Kun elektroni absorboi valoenergiaa (fotoneja) tai lämpöenergiaa (fononeja), se vastaanottaa tämän sattuvan energiakvantin. Mutta siirtymät ovat sallittuja vain erillisten energiatasojen, kuten alla esitetyn kahden, välillä. Tämä johtaa päästö- ja absorptioviivaan.
Energinen puoli
Seuraavaksi puhumme indusoidun säteilyn saamisen pääehdosta. Kun elektroni viritetään alemm alta energiatasolta korkeammalle, se ei todennäköisesti pysy sellaisena ikuisesti. Viritetyssä tilassa oleva elektroni voi hajota alempaanenergiatila, jota ei ole varattu, tietyn aikavakion mukaisesti, joka kuvaa tätä siirtymää.
Kun tällainen elektroni hajoaa ilman ulkoista vaikutusta ja lähettää fotonin, sitä kutsutaan spontaaniksi emissioksi. Emitoituun fotoniin liittyvä vaihe ja suunta ovat satunnaisia. Siten materiaali, jossa on monia atomeja tällaisessa virittyneessä tilassa, voi johtaa säteilyyn, jolla on kapea spektri (keskitetty yhden valon aallonpituuden ympärille), mutta yksittäisillä fotoneilla ei ole yhteisiä vaihesuhteita ja ne myös säteilevät satunnaisiin suuntiin. Tämä on fluoresenssin ja lämmöntuoton mekanismi.
Siirtymään liittyvällä taajuudella oleva ulkoinen sähkömagneettinen kenttä voi vaikuttaa atomin kvanttimekaaniseen tilaan ilman absorptiota. Kun atomissa oleva elektroni tekee siirtymän kahden stationaarisen tilan välillä (joista kumpikaan ei näytä dipolikenttää), se siirtyy siirtymätilaan, jossa on dipolikenttä ja joka toimii kuin pieni sähköinen dipoli, joka värähtelee ominaistaajuudella.
Vasteena ulkoiseen sähkökenttään tällä taajuudella elektronin siirtymisen todennäköisyys tällaiseen tilaan kasvaa merkittävästi. Siten siirtymien nopeus kahden paikallaan olevan tilan välillä ylittää spontaanin emission suuruuden. Siirtyminen korkeammasta energiatilasta alhaisempaan energiatilaan luo ylimääräisen fotonin, jolla on sama vaihe ja suunta kuin tuleva fotoni. Tämä on pakotettu päästöprosessi.
Avautuminen
Stimuloitu emissio oli Einsteinin teoreettinen löytö vanhan kvanttiteorian mukaisesti, jossa säteilyä kuvataan fotoneilla, jotka ovat sähkömagneettisen kentän kvantteja. Tällaista säteilyä voi esiintyä myös klassisissa malleissa ilman fotoneja tai kvanttimekaniikkaa.
Stimuloitu emissio voidaan mallintaa matemaattisesti antamalla atomi, joka voi olla jommassakummassa kahdesta elektronisen energian tilasta, alemman tason tilassa (mahdollisesti perustilassa) ja viritetyssä tilassa, energioilla E1 ja E2.
Jos atomi on virittyneessä tilassa, se voi hajota alempaan tilaan spontaanin emissioprosessin kautta vapauttaen näiden kahden tilan välisen energiaeron fotonina.
Vaihtoehtoisesti, jos viritetyssä tilassa olevaa atomia häiritsee sähkökenttä, jonka taajuus on ν0, se voi lähettää ylimääräisen fotonin, jolla on sama taajuus ja sama vaihe, mikä lisää ulkoista kenttää ja jättää atomin alhaisempaan energiatilaan.. Tämä prosessi tunnetaan stimuloiduna emissiona.
Suhteellisuus
Suhteellisuusvakio B21, jota käytetään yhtälöissä spontaanin ja indusoidun emission määrittämiseksi, tunnetaan Einstein-kertoimena B kyseiselle siirtymälle, ja ρ(ν) on tulevan kentän säteilytiheys taajuudella ν. Siten emissionopeus on verrannollinen viritetyssä tilassa N2 olevien atomien lukumäärään ja tulevien fotonien tiheyteen. Tällainen on ydinstimuloidun emission ilmiöt.
Samaan aikaan tapahtuu atomiabsorptioprosessi, joka poistaa energiaa kentästä ja nostaa elektroneja alemmasta tilasta ylempään. Sen nopeus määräytyy olennaisesti identtisellä yhtälöllä.
Siten nettoteho vapautuu sähkökenttään, joka on yhtä suuri kuin fotonin energia h kertaa tämä nettosiirtonopeus. Jotta tämä olisi positiivinen luku, joka ilmaisee spontaanin ja indusoidun kokonaisemission, virittyneessä tilassa on oltava enemmän atomeja kuin alemmalla tasolla.
Erot
Stimuloidun emission ominaisuudet verrattuna tavanomaisiin valonlähteisiin (jotka riippuvat spontaanista emissiosta) ovat, että emittoivilla fotoneilla on sama taajuus, vaihe, polarisaatio ja etenemissuunta kuin tulevilla fotoneilla. Siten mukana olevat fotonit ovat keskenään koherentteja. Siksi inversion aikana tapahtuu tulevan säteilyn optista vahvistusta.
Energianmuutos
Vaikka stimuloidun emission tuottama energia on aina sitä stimuloineen kentän tarkalla taajuudella, yllä oleva nopeuslaskelman kuvaus koskee vain viritystä tietyllä optisella taajuudella, stimuloidun (tai spontaanin) voimakkuudella. päästö vähenee kutsutun viivan muodon mukaan. Kun otetaan huomioon vain atomi- tai molekyyliresonanssiin vaikuttava tasainen laajeneminen, spektriviivan muotofunktio kuvataan Lorentzin jakaumana.
Siten stimuloitu emissio vähenee tälläkerroin. Käytännössä voi tapahtua myös epähomogeenisesta levenemisestä johtuvaa viivan muodon levenemistä, mikä johtuu ensisijaisesti Doppler-ilmiöstä, joka johtuu kaasun nopeuksien jakautumisesta tietyssä lämpötilassa. Tällä on Gaussin muoto ja se vähentää viivan muotofunktion huippulujuutta. Käytännön tehtävässä koko viivamuotofunktio voidaan laskea konvoloimalla yksittäiset mukana olevat viivamuotofunktiot.
Stimuloitu emissio voi tarjota fyysisen mekanismin optiselle vahvistukselle. Jos ulkoinen energialähde stimuloi yli 50 % perustilassa olevista atomeista siirtymään virittyneeseen tilaan, syntyy niin sanottu populaation inversio.
Kun sopivan taajuuden valo kulkee käänteisen väliaineen läpi, perustilaan jäävät atomit joko absorboivat fotonit tai stimuloivat virittyneitä atomeja lähettämään lisää fotoneja, joilla on sama taajuus, vaihe ja suunta. Koska viritetyssä tilassa on enemmän atomeja kuin perustilassa, seurauksena on syöttöintensiteetin kasvu.
Säteilyn absorptio
Fysiikassa sähkömagneettisen säteilyn absorptio on tapa, jolla fotonin energia absorboituu aineeseen, yleensä atomin elektroneihin. Siten sähkömagneettinen energia muunnetaan absorboijan sisäiseksi energiaksi, kuten lämmöksi. Väliaineessa etenevän valoaallon intensiteetin vähenemistä, joka johtuu joidenkin sen fotonien absorptiosta, kutsutaan usein vaimenemiseksi.
Normaali a altojen absorptioei riipu niiden intensiteetistä (lineaarinen absorptio), vaikka tietyissä olosuhteissa (yleensä optiikassa) väliaine muuttaa läpinäkyvyyttä riippuen lähetettyjen a altojen intensiteetistä ja kyllästyvästä absorptiosta.
On olemassa useita tapoja kvantifioida, kuinka nopeasti ja tehokkaasti säteily absorboituu tietyssä ympäristössä, kuten absorptiokerroin ja jotkin siihen läheisesti liittyvät johdannaissuureet.
Vaimennustekijä
Useita vaimennustekijäominaisuuksia:
- Vaimennustekijä, joka on joskus, mutta ei aina, synonyymi absorptiokertoimelle.
- Molaarista absorptiokykyä kutsutaan molaariseksi ekstinktiokertoimeksi. Se on absorbanssi jaettuna molaarisella.
- Massan vaimennuskerroin on absorptiokerroin jaettuna tiheydellä.
- Absorptio- ja sirontapoikkileikkaukset liittyvät läheisesti kertoimiin (vastaavasti absorptio ja vaimennus).
- Tähtitieteen sukupuutto vastaa vaimennuskerrointa.
Vakio yhtälöille
Muita säteilyn absorption mittareita ovat tunkeutumissyvyys ja ihovaikutus, etenemisvakio, vaimennusvakio, vaihevakio ja kompleksinen a altoluku, kompleksinen taitekerroin ja ekstinktiokerroin, kompleksinen permittiivisyys, sähkövastus ja johtavuus.
Imeytyminen
Absorptio (kutsutaan myös optiseksi tiheydeksi) ja optinensyvyys (kutsutaan myös optiseksi paksuudeksi) on kaksi toisiinsa liittyvää mittaa.
Kaikki nämä suuret mittaavat, ainakin jossain määrin, kuinka paljon väliaine absorboi säteilyä. Eri alojen ja menetelmien ammattilaiset käyttävät kuitenkin yleensä erilaisia arvoja, jotka on otettu yllä olevasta luettelosta.
Esineen absorptio ilmaisee, kuinka paljon tulevaa valoa se absorboi (heijastuksen tai taittumisen sijaan). Tämä voi liittyä esineen muihin ominaisuuksiin Beer-Lambertin lain kautta.
Tarkat absorbanssimittaukset useilla aallonpituuksilla mahdollistavat aineen tunnistamisen käyttämällä absorptiospektroskopiaa, jossa näytettä valaistaan toiselta puolelta. Muutamia esimerkkejä absorptiosta ovat ultravioletti-näkyvä spektroskopia, infrapunaspektroskopia ja röntgenabsorptiospektroskopia.
Hakemus
Sähkömagneettisen ja indusoidun säteilyn absorption ymmärtämisessä ja mittaamisessa on monia sovelluksia.
Esimerkiksi radiossa jaettaessa se esitetään poissa näköetäisyydestä.
Lasereiden stimuloitu emissio tunnetaan myös hyvin.
Meteorologiassa ja ilmastotieteessä globaalit ja paikalliset lämpötilat riippuvat osittain ilmakehän kaasujen säteilyn absorptiosta (esimerkiksi kasvihuoneilmiöstä) sekä maan ja v altamerten pinnasta.
Lääketieteessä röntgensäteet absorboituvat vaihtelevasti eri kudoksiin (erityisesti luuhun), mikä on röntgenkuvauksen perusta.
Käytetään myös kemiassa ja materiaalitieteessä erilaisinamateriaalit ja molekyylit absorboivat säteilyä eri määrin eri taajuuksilla, mikä mahdollistaa materiaalin tunnistamisen.
Optiikassa aurinkolasit, värisuodattimet, väriaineet ja muut vastaavat materiaalit on suunniteltu erityisesti ottamaan huomioon, mitä näkyviä aallonpituuksia ne absorboivat ja missä suhteissa. Lasien rakenne riippuu olosuhteista, joissa stimuloitu emissio ilmaantuu.
Biologiassa fotosynteettiset organismit tarvitsevat sopivan aallonpituuden omaavaa valoa absorboituakseen kloroplastien aktiivisella alueella. Tämä on välttämätöntä, jotta valoenergia voidaan muuntaa kemialliseksi energiaksi sokereissa ja muissa molekyyleissä.
Fysiikassa tiedetään, että maapallon ionosfäärin D-alue absorboi merkittävästi radiosignaaleja, jotka putoavat korkeataajuiseen sähkömagneettiseen spektriin ja liittyvät indusoituun säteilyyn.
Ydinfysiikassa ydinsäteilyn absorptiota voidaan käyttää nestetasojen mittaamiseen, tiheysmittaukseen tai paksuusmittauksiin.
Indusoidun säteilyn pääasialliset sovellukset ovat kvanttigeneraattorit, laserit, optiset laitteet.
