Stimulerad emission är den process genom vilken en inkommande foton med en viss frekvens kan interagera med en exciterad atomelektron (eller annat exciterat molekylärt tillstånd), vilket får den att sjunka till en lägre energinivå. Den frigjorda energin överförs till det elektromagnetiska fältet och skapar en ny foton med en fas, frekvens, polarisation och rörelseriktning som är identiska med fotonerna i den infallande vågen. Och detta sker i motsats till spontan strålning, som fungerar med slumpmässiga intervall, utan att ta hänsyn till det omgivande elektromagnetiska fältet.
Villkor för att erhålla stimulerade utsläpp
Processen är identisk till formen av atomabsorption, där energin hos den absorberade fotonen orsakar en identisk men motsatt atomövergång: från lägre tillhögre energinivå. I normala miljöer i termisk jämvikt överstiger absorptionen stimulerad emission eftersom det finns fler elektroner i lägre energitillstånd än i högre energitillstånd.
Men när populationsinversion är närvarande överstiger den stimulerade emissionshastigheten absorptionshastigheten och ren optisk förstärkning kan uppnås. Ett sådant förstärkningsmedium, tillsammans med en optisk resonator, utgör grunden för en laser eller en maser. I brist på en återkopplingsmekanism fungerar laserförstärkare och superluminescerande källor också på basis av stimulerad emission.
Vilket är huvudvillkoret för att få stimulerade utsläpp?
Elektroner och deras interaktioner med elektromagnetiska fält är viktiga för vår förståelse av kemi och fysik. I den klassiska uppfattningen är energin hos en elektron som kretsar runt en atomkärna större för banor långt från atomkärnan.
När en elektron absorberar ljusenergi (fotoner) eller värmeenergi (fononer), tar den emot detta infallande energikvantum. Men övergångar är endast tillåtna mellan diskreta energinivåer, som de två som visas nedan. Detta resulterar i emissions- och absorptionslinjer.
Energiaspekt
Nästa kommer vi att prata om huvudvillkoret för att erhålla inducerad strålning. När en elektron exciteras från en lägre till en högre energinivå är det osannolikt att det förblir så för alltid. En elektron i ett exciterat tillstånd kan sönderfalla till ett lägreenergitillstånd som inte är upptaget, i enlighet med en viss tidskonstant som kännetecknar denna övergång.
När en sådan elektron sönderfaller utan yttre påverkan och sänder ut en foton, kallas detta spontan emission. Fasen och riktningen förknippade med en emitterad foton är slumpmässig. Således kan ett material med många atomer i ett sådant exciterat tillstånd resultera i strålning som har ett sm alt spektrum (centrerat kring en enda våglängd av ljus), men de individuella fotonerna kommer inte att ha gemensamma fasförhållanden och kommer också att sändas ut i slumpmässiga riktningar. Detta är mekanismen för fluorescens och värmealstring.
Externt elektromagnetiskt fält vid den frekvens som är associerad med övergången kan påverka atomens kvantmekaniska tillstånd utan absorption. När en elektron i en atom gör en övergång mellan två stationära tillstånd (som inget av dem visar ett dipolfält) går den in i ett övergångstillstånd som har ett dipolfält och fungerar som en liten elektrisk dipol som svänger med en karakteristisk frekvens.
Som svar på ett externt elektriskt fält vid denna frekvens ökar sannolikheten för en elektronövergång till ett sådant tillstånd avsevärt. Således överstiger hastigheten för övergångar mellan två stationära tillstånd storleken på spontan emission. Övergången från ett högre till ett lägre energitillstånd skapar ytterligare en foton med samma fas och riktning som den infallande fotonen. Detta är den påtvingade utsläppsprocessen.
Invigning
Stimulerad emission var Einsteins teoretiska upptäckt under den gamla kvantteorin, där strålning beskrivs i termer av fotoner, som är kvanta av det elektromagnetiska fältet. Sådan strålning kan också förekomma i klassiska modeller utan hänvisning till fotoner eller kvantmekanik.
Stimulerad emission kan modelleras matematiskt givet en atom som kan vara i ett av två elektroniska energitillstånd, ett lägre nivåtillstånd (möjligen ett grundtillstånd) och ett exciterat tillstånd, med energierna E1 respektive E2.
Om en atom är i ett exciterat tillstånd kan den sönderfalla till ett lägre tillstånd genom en process av spontan emission, vilket frigör energiskillnaden mellan de två tillstånden som en foton.
Alternativt, om en exciterad tillståndsatom störs av ett elektriskt fält med frekvensen ν0, kan den sända ut ytterligare en foton med samma frekvens och i fas, och därigenom öka det yttre fältet och lämna atomen i ett lägre energitillstånd. Denna process kallas stimulerad emission.
Proportionalitet
Proportionalitetskonstanten B21 som används i ekvationerna för att bestämma spontan och inducerad emission är känd som Einstein-koefficienten B för den specifika övergången, och ρ(ν) är strålningstätheten för det infallande fältet vid frekvensen ν. Emissionshastigheten är således proportionell mot antalet atomer i det exciterade tillståndet N2 och densiteten av infallande fotoner. Sådan är essensenfenomen med stimulerad emission.
Samtidigt kommer processen med atomabsorption att äga rum, som tar bort energi från fältet och höjer elektroner från det nedre tillståndet till det övre. Dess hastighet bestäms av en i huvudsak identisk ekvation.
Nettoeffekt frigörs således till ett elektriskt fält som är lika med energin för en foton h gånger denna nettoövergångshastighet. För att detta ska vara ett positivt tal, som indikerar den totala spontana och inducerade emissionen, måste det finnas fler atomer i det exciterade tillståndet än i den lägre nivån.
Differences
Egenskaperna för stimulerad emission jämfört med konventionella ljuskällor (som är beroende av spontan emission) är att de emitterade fotonerna har samma frekvens, fas, polarisation och utbredningsriktning som de infallande fotonerna. Således är de inblandade fotonerna ömsesidigt koherenta. Under inversion sker därför optisk förstärkning av den infallande strålningen.
Energy Change
Även om energin som genereras av stimulerad emission alltid är vid den exakta frekvensen av fältet som stimulerade den, gäller ovanstående beskrivning av hastighetsberäkningen endast excitation vid en specifik optisk frekvens, styrkan av stimulerad (eller spontan) emissionen kommer att minska enligt den kallade linjeformen. Med tanke på endast enhetlig breddning som påverkar atomär eller molekylär resonans, beskrivs den spektrala linjeformfunktionen som en Lorentz-fördelning.
Därmed minskas det stimulerade utsläppetkoefficient. I praktiken kan även linjeformsbreddning på grund av inhomogen breddning äga rum, främst på grund av Dopplereffekten till följd av fördelningen av hastigheter i gasen vid en viss temperatur. Denna har en gaussisk form och minskar topphållfastheten för linjeformsfunktionen. I ett praktiskt problem kan den fullständiga linjeformsfunktionen beräknas genom att konvolvera de individuella linjeformsfunktionerna som är involverade.
Stimulerad emission kan tillhandahålla en fysisk mekanism för optisk förstärkning. Om en extern energikälla stimulerar mer än 50 % av atomerna i grundtillståndet att övergå till ett exciterat tillstånd, skapas det som kallas en befolkningsinversion.
När ljus med lämplig frekvens passerar genom ett inverterat medium, absorberas fotoner antingen av atomer som förblir i grundtillståndet eller stimulerar de exciterade atomerna att sända ut ytterligare fotoner med samma frekvens, fas och riktning. Eftersom det finns fler atomer i det exciterade tillståndet än i grundtillståndet, blir resultatet en ökning av ingångsintensiteten.
Strålningsabsorption
Inom fysiken är absorptionen av elektromagnetisk strålning det sätt på vilket en fotons energi absorberas av materia, vanligtvis elektronerna i en atom. Således omvandlas den elektromagnetiska energin till absorbatorns inre energi, såsom värme. Minskningen av intensiteten hos en ljusvåg som utbreder sig i ett medium på grund av absorptionen av några av dess fotoner kallas ofta dämpning.
Norm alt vågabsorptionberor inte på deras intensitet (linjär absorption), även om mediet under vissa förhållanden (vanligtvis inom optik) ändrar transparens beroende på intensiteten hos överförda vågor och mättbar absorption.
Det finns flera sätt att kvantifiera hur snabbt och effektivt strålning absorberas i en given miljö, till exempel absorptionskoefficienten och några närbesläktade derivatstorheter.
Dämpningsfaktor
Flera dämpningsfaktorfunktioner:
- Dämpningsfaktor, som ibland, men inte alltid, är synonymt med absorptionsfaktor.
- Molar absorptionskapacitet kallas den molära extinktionskoefficienten. Det är absorbansen dividerad med molariteten.
- Massdämpningsfaktorn är absorptionsfaktorn dividerad med densiteten.
- Absorptions- och spridningstvärsnitten är nära relaterade till koefficienterna (absorption respektive dämpning).
- Utdöende inom astronomi motsvarar dämpningsfaktorn.
Konstant för ekvationer
Andra mått på strålningsabsorption är penetrationsdjup och hudeffekt, utbredningskonstant, dämpningskonstant, faskonstant och komplext vågtal, komplext brytningsindex och extinktionskoefficient, komplex permittivitet, elektrisk resistivitet och konduktivitet.
Absorption
Absorption (även kallad optisk densitet) och optiskdjup (även kallad optisk tjocklek) är två inbördes relaterade mått.
Alla dessa mängder mäter, åtminstone till viss del, hur mycket ett medium absorberar strålning. Men utövare inom olika områden och metoder använder vanligtvis olika värden hämtade från listan ovan.
Ett föremåls absorption kvantifierar hur mycket infallande ljus som absorberas av det (istället för reflektion eller brytning). Detta kan vara relaterat till andra egenskaper hos objektet genom Beer–Lambert-lagen.
Exakta mätningar av absorbans vid många våglängder gör det möjligt att identifiera ett ämne med hjälp av absorptionsspektroskopi, där provet belyses från ena sidan. Några exempel på absorption är ultraviolett-synlig spektroskopi, infraröd spektroskopi och röntgenabsorptionsspektroskopi.
Application
Att förstå och mäta absorptionen av elektromagnetisk och inducerad strålning har många tillämpningar.
När den distribueras, till exempel via radio, presenteras den utom synhåll.
Den stimulerade emissionen av lasrar är också välkänd.
Inom meteorologi och klimatologi beror globala och lokala temperaturer delvis på absorptionen av strålning från atmosfäriska gaser (till exempel växthuseffekten), såväl som land- och havsytor.
Inom medicin absorberas röntgenstrålar i olika grad av olika vävnader (särskilt ben), vilket är grunden för radiografi.
Används även inom kemi och materialvetenskap, som olikamaterial och molekyler kommer att absorbera strålning i olika grad vid olika frekvenser, vilket gör att materialet kan identifieras.
Inom optik är solglasögon, färgfilter, färgämnen och andra liknande material speciellt utformade för att ta hänsyn till vilka synliga våglängder de absorberar och i vilka proportioner. Glasögonens struktur beror på de förhållanden under vilka stimulerad emission uppstår.
Inom biologi kräver fotosyntetiska organismer ljus med lämplig våglängd för att absorberas i den aktiva regionen av kloroplaster. Detta är nödvändigt så att ljusenergi kan omvandlas till kemisk energi i sockerarter och andra molekyler.
Det är känt inom fysiken att D-regionen av jordens jonosfär avsevärt absorberar radiosignaler som faller in i det högfrekventa elektromagnetiska spektrumet och är associerade med inducerad strålning.
Inom kärnfysik kan absorptionen av kärnstrålning användas för att mäta vätskenivåer, densitometri eller tjockleksmätningar.
De huvudsakliga tillämpningarna för inducerad strålning är kvantgeneratorer, lasrar, optiska enheter.
