Stimuliuojama emisija yra procesas, kurio metu įeinantis tam tikro dažnio fotonas gali sąveikauti su sužadintu atominiu elektronu (ar kita sužadinta molekuline būsena), todėl jis nukrenta iki žemesnio energijos lygio. Išsiskyrusi energija perduodama į elektromagnetinį lauką, sukuriant naują fotoną, kurio fazė, dažnis, poliarizacija ir judėjimo kryptis yra identiški krintančios bangos fotonams. Ir tai atsitinka priešingai nei spontaniška spinduliuotė, kuri veikia atsitiktiniais intervalais, neatsižvelgiant į aplinkinį elektromagnetinį lauką.
Stimuliuojamos emisijos gavimo sąlygos
Šis procesas yra identiškas atominei absorbcijai, kai sugerto fotono energija sukelia identišką, bet priešingą atominį perėjimą: iš žemesnio įaukštesnis energijos lygis. Normalioje aplinkoje esant šiluminei pusiausvyrai, absorbcija viršija stimuliuojamą emisiją, nes mažesnės energijos būsenose yra daugiau elektronų nei didesnės energijos būsenose.
Tačiau, kai vyksta populiacijos inversija, stimuliuojamos emisijos greitis viršija sugerties greitį ir galima pasiekti gryną optinį stiprinimą. Tokia stiprinimo terpė kartu su optiniu rezonatoriumi sudaro lazerio arba mazerio pagrindą. Nesant grįžtamojo ryšio mechanizmo, lazeriniai stiprintuvai ir superliuminescenciniai š altiniai taip pat veikia stimuliuojamos emisijos pagrindu.
Kokia yra pagrindinė sąlyga norint gauti stimuliuojamą emisiją?
Elektronai ir jų sąveika su elektromagnetiniais laukais yra svarbūs mūsų supratimui apie chemiją ir fiziką. Klasikiniu požiūriu, aplink atomo branduolį besisukančio elektrono energija yra didesnė orbitose, esančiose toli nuo atomo branduolio.
Kai elektronas sugeria šviesos energiją (fotonus) arba šilumos energiją (fononus), jis gauna šį atsitiktinį energijos kvantą. Tačiau perėjimai leidžiami tik tarp atskirų energijos lygių, pvz., žemiau pateiktų dviejų. Dėl to susidaro emisijos ir sugerties linijos.
Energetinis aspektas
Toliau pakalbėsime apie pagrindinę sąlygą indukuotai spinduliuotei gauti. Kai elektronas sužadinamas nuo žemesnio iki aukštesnio energijos lygio, mažai tikėtina, kad jis toks išliks amžinai. Sužadintoje būsenoje esantis elektronas gali suirti į žemesnęenergijos būsena, kuri nėra užimta, pagal tam tikrą laiko konstantą, apibūdinančią šį perėjimą.
Kai toks elektronas suyra be išorinės įtakos, išskirdamas fotoną, tai vadinama spontaniška emisija. Su skleidžiamu fotonu susijusi fazė ir kryptis yra atsitiktinės. Taigi, medžiaga, turinti daug atomų tokioje sužadintoje būsenoje, gali sukelti spinduliuotę, kurios spektras yra siauras (centruotas aplink vieną šviesos bangos ilgį), tačiau atskiri fotonai neturės bendrų fazių ryšių ir taip pat bus spinduliuojami atsitiktinėmis kryptimis. Tai yra fluorescencijos ir šilumos susidarymo mechanizmas.
Išorinis elektromagnetinis laukas su perėjimu susijusiu dažniu gali paveikti kvantinę mechaninę atomo būseną be sugerties. Kai elektronas atome pereina tarp dviejų stacionarių būsenų (nei viena iš jų nerodo dipolio lauko), jis pereina į pereinamąją būseną, kurioje yra dipolio laukas, ir veikia kaip mažas elektrinis dipolis, svyruojantis būdingu dažniu.
Reaguojant į išorinį elektrinį lauką tokiu dažniu, elektronų perėjimo į tokią būseną tikimybė žymiai padidėja. Taigi perėjimų tarp dviejų stacionarių būsenų greitis viršija spontaniškos emisijos dydį. Perėjimas iš aukštesnės į žemesnę energijos būseną sukuria papildomą fotoną, kurio fazė ir kryptis yra tokia pat kaip ir krintantis fotonas. Tai priverstinės emisijos procesas.
Atidarymas
Stimuliuota emisija buvo Einšteino teorinis atradimas pagal senąją kvantinę teoriją, kurioje spinduliuotė apibūdinama fotonais, kurie yra elektromagnetinio lauko kvantai. Tokia spinduliuotė taip pat gali atsirasti klasikiniuose modeliuose, neatsižvelgiant į fotonus ar kvantinę mechaniką.
Stimuliuotą emisiją galima modeliuoti matematiškai, atsižvelgiant į atomą, kuris gali būti vienoje iš dviejų elektroninės energijos būsenų, žemesnio lygio (galbūt pagrindinės būsenos) ir sužadintos būsenos, kurių energija atitinkamai E1 ir E2.
Jei atomas yra sužadintos, dėl spontaniškos emisijos jis gali suirti į žemesnę būseną, išskirdamas energijos skirtumą tarp dviejų būsenų kaip fotonas.
Arba, jei sužadintos būsenos atomą trikdo ν0 dažnio elektrinis laukas, jis gali išspinduliuoti papildomą tokio pat dažnio ir fazės fotoną, taip padidindamas išorinį lauką, palikdamas atomą žemesnės energijos būsenoje.. Šis procesas žinomas kaip stimuliuojama emisija.
Proporcingumas
Proporcingumo konstanta B21, naudojama lygtyse spontaniškai ir indukuotai emisijai nustatyti, yra žinoma kaip to konkretaus perėjimo Einšteino koeficientas B, o ρ(ν) yra krintančio lauko spinduliuotės tankis esant ν dažniui. Taigi emisijos greitis yra proporcingas atomų skaičiui sužadintoje būsenoje N2 ir krintančių fotonų tankiui. Tokia yra esmėstimuliuojamos emisijos reiškiniai.
Tuo pačiu metu vyks ir atominės absorbcijos procesas, kuris pašalina energiją iš lauko, pakeldamas elektronus iš apatinės būsenos į viršutinę. Jo greitis nustatomas pagal iš esmės identišką lygtį.
Taigi grynoji galia išleidžiama į elektrinį lauką, lygią fotono energijai h padauginus šį grynąjį perėjimo greitį. Kad tai būtų teigiamas skaičius, rodantis bendrą spontanišką ir sukeltą emisiją, sužadintoje būsenoje turi būti daugiau atomų nei žemesniame lygyje.
Skirtumai
Stimuliuojamos spinduliuotės savybės, palyginti su įprastais šviesos š altiniais (kurie priklauso nuo spontaniškos spinduliuotės), yra tokios, kad skleidžiamų fotonų dažnis, fazė, poliarizacija ir sklidimo kryptis yra tokie patys kaip ir krintančių fotonų. Taigi dalyvaujantys fotonai yra tarpusavyje nuoseklūs. Todėl inversijos metu atsiranda optinis krintančios spinduliuotės stiprinimas.
Energijos pokytis
Nors stimuliuojamos spinduliuotės generuojama energija visada yra tikslaus lauko, kuris ją stimuliavo, dažnio, aukščiau pateiktas greičio skaičiavimo aprašymas taikomas tik sužadinimui esant tam tikram optiniam dažniui, stimuliuojamo (arba spontaninio) stiprumui. emisija sumažės pagal vadinamąją linijos formą. Atsižvelgiant į tik tolygų išplėtimą, turintį įtakos atominiam ar molekuliniam rezonansui, spektrinės linijos formos funkcija apibūdinama kaip Lorenco skirstinys.
Todėl stimuliuojama emisija sumažinamakoeficientas. Praktiškai linijos formos išplėtimas dėl nehomogeniško išsiplėtimo taip pat gali vykti, visų pirma dėl Doplerio efekto, atsirandančio dėl greičių pasiskirstymo dujose tam tikroje temperatūroje. Tai turi Gauso formą ir sumažina linijos formos funkcijos didžiausią stiprumą. Įgyvendinant praktinę problemą, visą linijos formos funkciją galima apskaičiuoti sujungiant atskiras susijusias linijos formos funkcijas.
Stimuliuojama emisija gali būti fizinis optinio stiprinimo mechanizmas. Jei išorinis energijos š altinis stimuliuoja daugiau nei 50 % pagrindinės būsenos atomų pereiti į sužadinimo būseną, tada susidaro vadinamoji populiacijos inversija.
Kai atitinkamo dažnio šviesa praeina per apverstą terpę, fotonus arba sugeria atomai, kurie lieka pagrindinėje būsenoje, arba skatina sužadintus atomus skleisti papildomus to paties dažnio, fazės ir krypties fotonus. Kadangi sužadintoje būsenoje yra daugiau atomų nei pagrindinėje būsenoje, dėl to padidėja įvesties intensyvumas.
Radiacijos sugertis
Fizikoje elektromagnetinės spinduliuotės sugertis yra būdas, kuriuo fotono energiją sugeria medžiaga, dažniausiai atomo elektronai. Taigi elektromagnetinė energija paverčiama vidine absorberio energija, tokia kaip šiluma. Šviesos bangos, sklindančios terpėje, intensyvumo sumažėjimas dėl kai kurių jos fotonų sugerties dažnai vadinamas slopinimu.
Paprastai bangų sugertisnepriklauso nuo jų intensyvumo (tiesinės sugerties), nors esant tam tikroms sąlygoms (dažniausiai optikoje) terpė keičia skaidrumą priklausomai nuo perduodamų bangų intensyvumo ir įsotinančios sugerties.
Yra keletas būdų kiekybiškai įvertinti, kaip greitai ir efektyviai spinduliuotė absorbuojama tam tikroje aplinkoje, pvz., absorbcijos koeficientas ir kai kurie glaudžiai susiję išvestiniai dydžiai.
Slopinimo koeficientas
Kelios silpninimo faktoriaus funkcijos:
- Silpinimo koeficientas, kuris kartais, bet ne visada, yra absorbcijos faktoriaus sinonimas.
- Molinis sugerties pajėgumas vadinamas moliniu ekstinkcijos koeficientu. Tai yra absorbcija, padalyta iš moliškumo.
- Masės susilpnėjimo koeficientas yra sugerties koeficientas, padalytas iš tankio.
- Sugerties ir sklaidos skerspjūviai yra glaudžiai susiję su koeficientais (atitinkamai sugertis ir slopinimas).
- Astronomijoje išnykimas yra lygus slopinimo koeficientui.
Konstanta lygtims
Kiti spinduliuotės sugerties matai yra prasiskverbimo gylis ir odos efektas, sklidimo konstanta, slopinimo konstanta, fazės konstanta ir kompleksinis bangų skaičius, kompleksinis lūžio rodiklis ir ekstinkcijos koeficientas, kompleksinis laidumas, elektrinė varža ir laidumas.
Sugėrimas
Sugertis (taip pat vadinamas optiniu tankiu) ir optinisgylis (taip pat vadinamas optiniu storiu) yra du tarpusavyje susiję matai.
Visi šie dydžiai bent tam tikru mastu matuoja, kiek terpė sugeria spinduliuotę. Tačiau skirtingų sričių ir metodų specialistai dažniausiai naudoja skirtingas reikšmes, paimtas iš aukščiau pateikto sąrašo.
Objekto sugertis kiekybiškai parodo, kiek jis sugeria krentančios šviesos (vietoj atspindžio ar lūžio). Tai gali būti susijusi su kitomis objekto savybėmis pagal Beer–Lambert dėsnį.
Tikslūs absorbcijos matavimai esant daugeliui bangos ilgių leidžia identifikuoti medžiagą naudojant absorbcijos spektroskopiją, kai mėginys apšviečiamas iš vienos pusės. Keletas sugerties pavyzdžių yra ultravioletinių spindulių matomoji spektroskopija, infraraudonųjų spindulių spektroskopija ir rentgeno spindulių sugerties spektroskopija.
Programa
Elektromagnetinės ir indukuotos spinduliuotės sugerties supratimas ir matavimas gali būti pritaikytas daugeliui.
Platinant, pavyzdžiui, per radiją, jis pateikiamas už akių.
Stimuliuojama lazerių spinduliuotė taip pat gerai žinoma.
Meteorologijoje ir klimatologijoje pasaulinė ir vietinė temperatūra iš dalies priklauso nuo atmosferos dujų spinduliuotės sugerties (pavyzdžiui, šiltnamio efekto), taip pat nuo žemės ir vandenynų paviršių.
Medicinoje rentgeno spindulius nevienodu laipsniu sugeria įvairūs audiniai (ypač kaulai), o tai yra rentgenografijos pagrindas.
Taip pat naudojamas chemijoje ir medžiagų moksle, kaip skirtingasmedžiagos ir molekulės skirtingais dažniais sugers spinduliuotę skirtingais laipsniais, todėl bus galima identifikuoti medžiagą.
Optikoje saulės akiniai, spalvų filtrai, dažai ir kitos panašios medžiagos yra specialiai sukurtos atsižvelgiant į tai, kokius matomus bangos ilgius ir kokiomis proporcijomis jie sugeria. Akinių struktūra priklauso nuo sąlygų, kuriomis atsiranda stimuliuojama emisija.
Biologijoje fotosintetiniams organizmams reikalinga atitinkamo bangos ilgio šviesa, kad jie būtų absorbuojami aktyvioje chloroplastų srityje. Tai būtina, kad šviesos energija cukruje ir kitose molekulėse galėtų būti paversta chemine energija.
Fizikoje žinoma, kad Žemės jonosferos D sritis žymiai sugeria radijo signalus, kurie patenka į aukšto dažnio elektromagnetinį spektrą ir yra susiję su indukuota spinduliuote.
Branduolinės fizikos srityje branduolinės spinduliuotės sugertis gali būti naudojama matuojant skysčių lygį, matuojant densitometriją arba matuojant storį.
Pagrindinės indukuotos spinduliuotės taikymo sritys yra kvantiniai generatoriai, lazeriai, optiniai prietaisai.
