Stimulirana emisija je proces kojim dolazni foton određene frekvencije može stupiti u interakciju s pobuđenim atomskim elektronom (ili drugim pobuđenim molekularnim stanjem), uzrokujući njegovo spuštanje na niži energetski nivo. Oslobođena energija se prenosi u elektromagnetno polje, stvarajući novi foton s fazom, frekvencijom, polarizacijom i smjerom kretanja koji su identični fotonima upadnog vala. I to se dešava u suprotnosti sa spontanim zračenjem, koje radi u nasumičnim intervalima, ne uzimajući u obzir okolno elektromagnetno polje.
Uslovi za dobijanje stimulisane emisije
Proces je po obliku identičan atomskoj apsorpciji, u kojoj energija apsorbiranog fotona uzrokuje identičan, ali suprotan atomski prijelaz: iz nižeg uviši nivo energije. U normalnim okruženjima u termalnoj ravnoteži, apsorpcija premašuje stimulisanu emisiju jer ima više elektrona u nižim energetskim stanjima nego u stanjima više energije.
Međutim, kada je prisutna inverzija populacije, stopa stimulisane emisije premašuje stopu apsorpcije i može se postići čisto optičko pojačanje. Takav medij za pojačavanje, zajedno sa optičkim rezonatorom, čini osnovu lasera ili masera. Bez povratnog mehanizma, laserski pojačivači i superluminiscentni izvori takođe rade na osnovu stimulisane emisije.
Koji je glavni uslov za dobijanje stimulisane emisije?
Elektroni i njihova interakcija sa elektromagnetnim poljima važni su u našem razumijevanju hemije i fizike. U klasičnom pogledu, energija elektrona koji se okreće oko atomskog jezgra veća je za orbite udaljene od atomskog jezgra.
Kada elektron apsorbuje svetlosnu energiju (fotone) ili toplotnu energiju (fononi), on prima ovaj upadni kvant energije. Ali prelazi su dozvoljeni samo između diskretnih energetskih nivoa, kao što su dva prikazana ispod. Ovo rezultira emisionim i apsorpcionim linijama.
energetski aspekt
Dalje ćemo govoriti o glavnom uslovu za dobijanje indukovanog zračenja. Kada se elektron pobuđuje sa nižeg na viši energetski nivo, malo je vjerovatno da će tako ostati zauvijek. Elektron u pobuđenom stanju može se raspasti na nižeenergetsko stanje koje nije zauzeto, u skladu sa određenom vremenskom konstantom koja karakteriše ovaj prelaz.
Kada se takav elektron raspadne bez spoljašnjeg uticaja, emitujući 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 dužine svjetlosti), ali pojedinačni fotoni neće imati zajedničke fazne odnose i također će biti emitirani u nasumične smjerove. Ovo je mehanizam stvaranja fluorescencije i topline.
Spoljno elektromagnetno polje na frekvenciji povezanoj sa tranzicijom može uticati 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 kao mali električni dipol koji oscilira na karakterističnoj frekvenciji.
Kao odgovor na vanjsko električno polje na ovoj frekvenciji, vjerovatnoća 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 sa istom fazom i smjerom kao i upadni foton. Ovo je proces prisilne emisije.
Otvaranje
Stimulirana emisija je Ajnštajnovo teorijsko otkriće prema staroj kvantnoj teoriji, u kojoj se zračenje opisuje u terminima fotona, koji su kvanti elektromagnetnog polja. Takvo zračenje se također može pojaviti u klasičnim modelima bez pozivanja na fotone ili kvantnu mehaniku.
Stimulirana emisija se može modelirati matematički dajući atom koji može biti u jednom od dva stanja elektronske energije, stanju nižeg nivoa (moguće osnovno stanje) i pobuđenom stanju, sa energijama E1 i E2 respektivno.
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 emitovati dodatni foton iste frekvencije i u fazi, čime se povećava vanjsko polje, ostavljajući atom u stanju niže energije. Ovaj proces je poznat kao stimulisana 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 gustina zračenja upadnog polja na frekvenciji ν. Dakle, brzina emisije je proporcionalna broju atoma u pobuđenom stanju N2 i gustini upadnih fotona. Takva je suštinafenomeni stimulisane emisije.
Istovremeno će se odvijati proces atomske apsorpcije, koji uklanja energiju iz polja, podižući elektrone iz donjeg stanja u gornje. Njegova brzina je određena suštinski identičnom jednačinom.
Dakle, neto snaga se oslobađa u električno polje jednako energiji fotona h puta ovoj neto brzini prijelaza. Da bi ovo bio pozitivan broj, koji ukazuje na ukupnu spontanu i indukovanu emisiju, mora biti više atoma u pobuđenom stanju nego na nižem nivou.
Razlike
Svojstva stimulisane emisije u poređenju sa konvencionalnim izvorima svetlosti (koje zavise od spontane emisije) su da emitovani fotoni imaju istu frekvenciju, fazu, polarizaciju i pravac širenja kao i upadni fotoni. Dakle, uključeni fotoni su međusobno koherentni. Stoga, tokom inverzije dolazi do optičkog pojačanja upadnog zračenja.
Promjena energije
Iako je energija generirana stimuliranom emisijom uvijek na tačnoj frekvenciji polja koje ju je stimuliralo, gornji opis proračuna brzine odnosi se samo na ekscitaciju na specifičnoj optičkoj frekvenciji, jačini stimuliranog (ili spontanog) emisija će se smanjiti u skladu sa zvanim oblikom linije. Uzimajući u obzir samo jednolično proširenje koje utiče na atomsku ili molekularnu rezonanciju, funkcija oblika spektralne linije je opisana kao Lorentzova distribucija.
Dakle, stimulisana emisija se time smanjujekoeficijent. U praksi može doći i do proširenja oblika linije zbog nehomogenog širenja, prvenstveno zbog Doplerovog efekta koji je rezultat raspodjele brzina u plinu na određenoj temperaturi. Ovo ima Gausov oblik i smanjuje vršnu snagu funkcije oblika linije. U praktičnom problemu, kompletna 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 emituju dodatne fotone iste frekvencije, faze i smjera. Pošto ima više atoma u pobuđenom stanju nego u osnovnom, rezultat je povećanje intenziteta ulaza.
Apsorpcija zračenja
U fizici, apsorpcija elektromagnetnog zračenja je način na koji materija apsorbuje energiju fotona, obično elektroni atoma. Tako se elektromagnetna energija pretvara u unutrašnju energiju apsorbera, kao što je toplota. Smanjenje intenziteta svjetlosnog talasa koji se širi u mediju zbog apsorpcije nekih njegovih fotona često se naziva slabljenjem.
Normalno upijanje talasane zavisi od njihovog intenziteta (linearna apsorpcija), iako pod određenim uslovima (obično u optici) medij menja transparentnost u zavisnosti od intenziteta prepuštenih talasa i zasićene apsorpcije.
Postoji nekoliko načina da se kvantifikuje koliko brzo i efikasno se zračenje apsorbuje u datom okruženju, kao što je koeficijent apsorpcije i neke usko povezane izvedenice.
Faktor slabljenja
Nekoliko karakteristika faktora slabljenja:
- Faktor slabljenja, koji je ponekad, ali ne uvijek, sinonim za faktor apsorpcije.
- Molarni kapacitet apsorpcije naziva se molarni koeficijent ekstinkcije. To je apsorpcija podijeljena s molarnošću.
- Faktor masenog slabljenja je faktor apsorpcije podijeljen sa gustinom.
- Poprečni presjeci apsorpcije i raspršenja su usko povezani sa koeficijentima (apsorpcija i slabljenje, respektivno).
- Izumiranje u astronomiji je ekvivalentno faktoru prigušenja.
Konstanta za jednačine
Druge mjere apsorpcije zračenja su dubina penetracije i skin efekat, konstanta propagacije, konstanta slabljenja, fazna konstanta i kompleksni talasni broj, kompleksni indeks loma i koeficijent ekstinkcije, kompleksna permitivnost, električna otpornost i provodljivost.
Apsorpcija
Apsorpcija (koja se naziva i optička gustina) i optičkadubina (takođe nazvana optička debljina) su dvije međusobno povezane mjere.
Sve ove veličine mjere, barem donekle, koliko medij apsorbira zračenje. Međutim, praktičari različitih oblasti i metoda obično koriste različite vrijednosti preuzete sa gornje liste.
Apsorpcija objekta kvantificira koliko upadne svjetlosti apsorbira (umjesto refleksije ili prelamanja). Ovo može biti povezano sa drugim svojstvima objekta kroz Beer-Lambertov zakon.
Precizna mjerenja apsorpcije na mnogim talasnim dužinama omogućavaju identifikaciju supstance korišćenjem apsorpcione spektroskopije, gde je uzorak osvetljen sa jedne strane. Nekoliko primjera apsorpcije su ultraljubičasta vidljiva spektroskopija, infracrvena spektroskopija i spektroskopija apsorpcije rendgenskih zraka.
Prijava
Razumijevanje i mjerenje apsorpcije elektromagnetnog i induciranog zračenja ima mnogo primjena.
Kada se distribuira, na primjer, putem radija, prikazuje se izvan vidokruga.
Stimulisana emisija lasera je takođe dobro poznata.
U meteorologiji i klimatologiji, globalne i lokalne temperature djelimično zavise od apsorpcije zračenja atmosferskim gasovima (na primjer, efekat staklene bašte), kao i površine kopna i oceana.
U medicini, X-zraci se apsorbuju u različitom stepenu od strane različitih tkiva (posebno kosti), što je osnova za radiografiju.
Takođe se koristi u hemiji i nauci o materijalima, kao različitimaterijali i molekuli će apsorbirati zračenje u različitim stepenima na različitim frekvencijama, omogućavajući identifikaciju materijala.
U optici, sunčane naočale, filteri u boji, boje i drugi slični materijali su posebno dizajnirani da uzmu u obzir koje vidljive talasne dužine apsorbuju iu kojim proporcijama. Struktura čaša zavisi od uslova pod kojima se javlja stimulisana emisija.
U biologiji, fotosintetički organizmi zahtevaju svetlost odgovarajuće talasne dužine da bi se apsorbovala u aktivnom delu hloroplasta. Ovo je neophodno da bi se svetlosna energija mogla pretvoriti u hemijsku energiju unutar šećera i drugih molekula.
U fizici je poznato da D-regija Zemljine jonosfere značajno apsorbuje radio signale koji spadaju u visokofrekventni elektromagnetski spektar i povezani su sa indukovanim zračenjem.
U nuklearnoj fizici, apsorpcija nuklearnog zračenja može se koristiti za mjerenje nivoa tečnosti, denzitometriju ili mjerenje debljine.
Glavne primjene indukovanog zračenja su kvantni generatori, laseri, optički uređaji.
