Stimuleret emission er den proces, hvorved en indkommende foton med en bestemt frekvens kan interagere med en exciteret atomelektron (eller anden exciteret molekylær tilstand), hvilket får den til at falde til et lavere energiniveau. Den frigivne energi overføres til det elektromagnetiske felt, hvorved der skabes en ny foton med en fase, frekvens, polarisering og bevægelsesretning, der er identiske med fotonerne i den indfaldende bølge. Og det sker i modsætning til spontan stråling, som virker med tilfældige intervaller uden at tage hensyn til det omgivende elektromagnetiske felt.
Betingelser for at opnå stimuleret emission
Processen er i form identisk med atomabsorption, hvor energien i den absorberede foton forårsager en identisk, men modsat atomovergang: fra lavere tilhøjere energiniveau. I normale miljøer i termisk ligevægt overstiger absorptionen stimuleret emission, fordi der er flere elektroner i lavere energitilstande end i højere energitilstande.
Men når populationsinversion er til stede, overstiger hastigheden af stimuleret emission absorptionshastigheden, og ren optisk forstærkning kan opnås. Et sådant forstærkende medium danner sammen med en optisk resonator grundlaget for en laser eller en maser. I mangel af en feedback-mekanisme fungerer laserforstærkere og superluminescerende kilder også på basis af stimuleret emission.
Hvad er hovedbetingelsen for at opnå stimuleret emission?
Elektroner og deres interaktioner med elektromagnetiske felter er vigtige for vores forståelse af kemi og fysik. I den klassiske opfattelse er energien af en elektron, der kredser omkring en atomkerne, større for baner langt fra atomkernen.
Når en elektron absorberer lysenergi (fotoner) eller varmeenergi (fononer), modtager den denne indfaldende energikvantum. Men overgange er kun tilladt mellem diskrete energiniveauer, såsom de to vist nedenfor. Dette resulterer i emissions- og absorptionslinjer.
Energiaspekt
Dernæst vil vi tale om hovedbetingelsen for at opnå induceret stråling. Når en elektron exciteres fra et lavere til et højere energiniveau, er det usandsynligt, at det forbliver sådan for evigt. En elektron i en exciteret tilstand kan henfalde til en lavereenergitilstand, der ikke er optaget, i overensstemmelse med en vis tidskonstant, der karakteriserer denne overgang.
Når sådan en elektron henfalder uden ydre påvirkning og udsender en foton, kaldes dette spontan emission. Fasen og retningen forbundet med en udsendt foton er tilfældig. Et materiale med mange atomer i sådan en exciteret tilstand kan således resultere i stråling, der har et sm alt spektrum (centreret omkring en enkelt bølgelængde af lys), men de enkelte fotoner vil ikke have fælles faseforhold og vil også blive udsendt i tilfældige retninger. Dette er mekanismen for fluorescens og varmedannelse.
Eksternt elektromagnetisk felt ved den frekvens, der er forbundet med overgangen, kan påvirke atomets kvantemekaniske tilstand uden absorption. Når en elektron i et atom laver en overgang mellem to stationære tilstande (hvoraf ingen viser et dipolfelt), går den ind i en overgangstilstand, der har et dipolfelt og fungerer som en lille elektrisk dipol, der svinger med en karakteristisk frekvens.
Som svar på et eksternt elektrisk felt ved denne frekvens øges sandsynligheden for en elektronovergang til en sådan tilstand betydeligt. Således overstiger overgangshastigheden mellem to stationære tilstande størrelsen af spontan emission. Overgangen fra en højere til en lavere energitilstand skaber en ekstra foton med samme fase og retning som den indfaldende foton. Dette er den tvungne emissionsproces.
Åbning
Stimuleret emission var Einsteins teoretiske opdagelse under den gamle kvanteteori, hvor stråling er beskrevet i form af fotoner, som er kvanter af det elektromagnetiske felt. Sådan stråling kan også forekomme i klassiske modeller uden reference til fotoner eller kvantemekanik.
Stimuleret emission kan modelleres matematisk givet et atom, der kan være i en af to elektroniske energitilstande, en lavere niveautilstand (muligvis en grundtilstand) og en exciteret tilstand, med henholdsvis energierne E1 og E2.
Hvis et atom er i en exciteret tilstand, kan det henfalde til en lavere tilstand gennem en proces med spontan emission, hvilket frigiver energiforskellen mellem de to tilstande som en foton.
Alternativt, hvis et exciteret tilstandsatom forstyrres af et elektrisk felt med frekvensen ν0, kan det udsende en ekstra foton med samme frekvens og i fase, hvorved det ydre felt øges og efterlade atomet i en lavere energitilstand. Denne proces er kendt som stimuleret emission.
Proportionalitet
Proportionalitetskonstanten B21 brugt i ligningerne til bestemmelse af spontan og induceret emission er kendt som Einstein-koefficienten B for den pågældende overgang, og ρ(ν) er strålingstætheden af det indfaldende felt ved frekvensen ν. Emissionshastigheden er således proportional med antallet af atomer i den exciterede tilstand N2 og tætheden af indfaldende fotoner. Sådan er essensenfænomener med stimuleret emission.
Samtidig vil processen med atomabsorption finde sted, som fjerner energi fra feltet og hæver elektroner fra den nedre tilstand til den øvre. Dens hastighed bestemmes af en i det væsentlige identisk ligning.
Nettoeffekt frigives således til et elektrisk felt svarende til energien af en foton h gange denne nettoovergangshastighed. For at dette er et positivt tal, der angiver den totale spontane og inducerede emission, skal der være flere atomer i den exciterede tilstand end i det lavere niveau.
Differences
Egenskaberne ved stimuleret emission sammenlignet med konventionelle lyskilder (som afhænger af spontan emission) er, at de udsendte fotoner har samme frekvens, fase, polarisering og udbredelsesretning som de indfaldende fotoner. De involverede fotoner er således indbyrdes sammenhængende. Under inversion sker der derfor optisk forstærkning af den indfaldende stråling.
Energy Change
Selvom energien genereret af stimuleret emission altid er på den nøjagtige frekvens af det felt, der stimulerede den, gælder ovenstående beskrivelse af hastighedsberegningen kun for excitation ved en specifik optisk frekvens, styrken af stimuleret (eller spontan) emission vil falde i henhold til kaldet linjeformen. I betragtning af kun ensartet udvidelse, der påvirker atom- eller molekylær resonans, beskrives spektrallinjeformfunktionen som en Lorentz-fordeling.
Den stimulerede emission reduceres såledeskoefficient. I praksis kan linieformsudvidelse på grund af inhomogen udvidelse også finde sted, primært på grund af Doppler-effekten, der skyldes fordelingen af hastigheder i gassen ved en bestemt temperatur. Dette har en gaussisk form og reducerer spidsstyrken af linjeformfunktionen. I et praktisk problem kan den komplette linieformsfunktion beregnes ved at konvolvere de involverede individuelle linieformsfunktioner.
Stimuleret emission kan give en fysisk mekanisme til optisk forstærkning. Hvis en ekstern energikilde stimulerer mere end 50 % af atomerne i grundtilstanden til at overgå til en exciteret tilstand, så skabes det, der kaldes en befolkningsinversion.
Når lys med den passende frekvens passerer gennem et inverteret medium, absorberes fotoner enten af atomer, der forbliver i grundtilstanden, eller stimulerer de exciterede atomer til at udsende yderligere fotoner med samme frekvens, fase og retning. Da der er flere atomer i den exciterede tilstand end i grundtilstanden, er resultatet en stigning i inputintensiteten.
Strålingsabsorption
I fysik er absorptionen af elektromagnetisk stråling den måde, hvorpå en fotons energi absorberes af stof, norm alt elektronerne i et atom. Således omdannes den elektromagnetiske energi til absorberens indre energi, såsom varme. Faldet i intensiteten af en lysbølge, der forplanter sig i et medium på grund af absorptionen af nogle af dets fotoner, kaldes ofte dæmpning.
Norm alt bølgeabsorptionafhænger ikke af deres intensitet (lineær absorption), selvom mediet under visse forhold (norm alt i optik) ændrer transparens afhængigt af intensiteten af transmitterede bølger og mættelig absorption.
Der er flere måder at kvantificere, hvor hurtigt og effektivt stråling absorberes i et givet miljø, såsom absorptionskoefficienten og nogle nært beslægtede afledte størrelser.
Dæmpningsfaktor
Flere dæmpningsfaktorfunktioner:
- Dæmpningsfaktor, som nogle gange, men ikke altid, er synonymt med absorptionsfaktor.
- Molar absorptionskapacitet kaldes den molære ekstinktionskoefficient. Det er absorbansen divideret med molariteten.
- Massedæmpningsfaktoren er absorptionsfaktoren divideret med massefylden.
- Absorptions- og spredningstværsnittene er tæt forbundet med koefficienterne (henholdsvis absorption og dæmpning).
- Udryddelse i astronomi svarer til dæmpningsfaktoren.
Konstant for ligninger
Andre mål for strålingsabsorption er penetrationsdybde og hudeffekt, udbredelseskonstant, dæmpningskonstant, fasekonstant og komplekst bølgetal, komplekst brydningsindeks og ekstinktionskoefficient, kompleks permittivitet, elektrisk resistivitet og ledningsevne.
Absorption
Absorption (også kaldet optisk tæthed) og optiskdybde (også kaldet optisk tykkelse) er to indbyrdes forbundne mål.
Alle disse mængder måler, i det mindste til en vis grad, hvor meget et medium absorberer stråling. Udøvere af forskellige felter og metoder bruger dog norm alt forskellige værdier taget fra listen ovenfor.
Et objekts absorption kvantificerer, hvor meget indfaldende lys der absorberes af det (i stedet for refleksion eller brydning). Dette kan være relateret til andre egenskaber ved objektet gennem Beer-Lambert-loven.
Nøjagtige målinger af absorbans ved mange bølgelængder gør det muligt at identificere et stof ved hjælp af absorptionsspektroskopi, hvor prøven belyses fra den ene side. Et par eksempler på absorption er ultraviolet-synlig spektroskopi, infrarød spektroskopi og røntgenabsorptionsspektroskopi.
Application
Forståelse og måling af absorption af elektromagnetisk og induceret stråling har mange anvendelser.
Når den distribueres, for eksempel via radio, præsenteres den uden for synsvidde.
Den stimulerede emission af lasere er også velkendt.
I meteorologi og klimatologi afhænger globale og lokale temperaturer delvist af absorptionen af stråling fra atmosfæriske gasser (f.eks. drivhuseffekten) samt jord- og havoverflader.
I medicin absorberes røntgenstråler i varierende grad af forskellige væv (især knogler), som er grundlaget for røntgen.
Bruges også i kemi og materialevidenskab, som anderledesmaterialer og molekyler vil absorbere stråling i forskellige grader ved forskellige frekvenser, hvilket gør det muligt at identificere materialet.
I optik er solbriller, farvefiltre, farvestoffer og andre lignende materialer specielt designet til at tage højde for, hvilke synlige bølgelængder de absorberer og i hvilke proportioner. Strukturen af briller afhænger af de forhold, under hvilke stimuleret emission opstår.
I biologi kræver fotosyntetiske organismer lys med den passende bølgelængde for at blive absorberet i det aktive område af kloroplaster. Dette er nødvendigt, så lysenergi kan omdannes til kemisk energi i sukkerarter og andre molekyler.
Det er kendt i fysik, at D-regionen af Jordens ionosfære i væsentlig grad absorberer radiosignaler, der falder ind i det højfrekvente elektromagnetiske spektrum og er forbundet med induceret stråling.
I kernefysik kan absorptionen af nuklear stråling bruges til at måle væskeniveauer, densitometri eller tykkelsesmålinger.
De vigtigste anvendelser af induceret stråling er kvantegeneratorer, lasere, optiske enheder.
