Stimulovaná emisia je proces, pri ktorom môže prichádzajúci fotón určitej frekvencie interagovať s excitovaným atómovým elektrónom (alebo iným excitovaným molekulárnym stavom), čo spôsobí jeho pokles na nižšiu energetickú hladinu. Uvoľnená energia sa prenáša do elektromagnetického poľa, čím vzniká nový fotón s fázou, frekvenciou, polarizáciou a smerom pohybu, ktoré sú zhodné s fotónmi dopadajúcej vlny. A to sa deje na rozdiel od spontánneho žiarenia, ktoré funguje v náhodných intervaloch, bez ohľadu na okolité elektromagnetické pole.
Podmienky na získanie stimulovanej emisie
Proces je svojou formou identický s atómovou absorpciou, pri ktorej energia absorbovaného fotónu spôsobuje rovnaký, ale opačný atómový prechod: z nižšieho navyššia energetická hladina. V normálnych prostrediach v tepelnej rovnováhe prevyšuje absorpcia stimulovanú emisiu, pretože v stavoch s nižšou energiou je viac elektrónov ako v stavoch s vyššou energiou.
Ak je však prítomná inverzia populácie, rýchlosť stimulovanej emisie prevyšuje rýchlosť absorpcie a možno dosiahnuť čisté optické zosilnenie. Takéto zosilňovacie médium spolu s optickým rezonátorom tvorí základ lasera alebo masera. Bez mechanizmu spätnej väzby fungujú laserové zosilňovače a superluminiscenčné zdroje tiež na báze stimulovanej emisie.
Aká je hlavná podmienka na získanie stimulovanej emisie?
Elektróny a ich interakcie s elektromagnetickými poľami sú dôležité pre naše chápanie chémie a fyziky. V klasickom pohľade je energia elektrónu obiehajúceho okolo atómového jadra väčšia pre obežné dráhy ďaleko od atómového jadra.
Keď elektrón absorbuje svetelnú energiu (fotóny) alebo tepelnú energiu (fonóny), prijme toto dopadajúce kvantum energie. Prechody sú však povolené len medzi jednotlivými úrovňami energie, ako sú dve uvedené nižšie. Výsledkom sú emisné a absorpčné čiary.
Energetický aspekt
Ďalej si povieme o hlavnej podmienke získania indukovaného žiarenia. Keď je elektrón excitovaný z nižšej na vyššiu energetickú hladinu, je nepravdepodobné, že to tak zostane navždy. Elektrón v excitovanom stave sa môže rozpadnúť na nižšieenergetický stav, ktorý nie je obsadený, v súlade s určitou časovou konštantou charakterizujúcou tento prechod.
Keď sa takýto elektrón rozpadne bez vonkajšieho vplyvu a vyžaruje fotón, nazýva sa to spontánna emisia. Fáza a smer spojené s emitovaným fotónom sú náhodné. Materiál s mnohými atómami v takomto excitovanom stave teda môže mať za následok žiarenie, ktoré má úzke spektrum (sústredené okolo jednej vlnovej dĺžky svetla), ale jednotlivé fotóny nebudú mať spoločné fázové vzťahy a budú tiež emitované v náhodných smeroch. Toto je mechanizmus fluorescencie a generovania tepla.
Vonkajšie elektromagnetické pole s frekvenciou spojenou s prechodom môže ovplyvniť kvantovo-mechanický stav atómu bez absorpcie. Keď elektrón v atóme vykoná prechod medzi dvoma stacionárnymi stavmi (ani jeden nevykazuje dipólové pole), dostane sa do prechodového stavu, ktorý má dipólové pole a pôsobí ako malý elektrický dipól, ktorý osciluje na charakteristickej frekvencii.
V reakcii na vonkajšie elektrické pole pri tejto frekvencii sa výrazne zvyšuje pravdepodobnosť prechodu elektrónov do takéhoto stavu. Rýchlosť prechodov medzi dvoma stacionárnymi stavmi teda presahuje veľkosť spontánnej emisie. Prechodom z vyššieho do nižšieho energetického stavu vzniká ďalší fotón s rovnakou fázou a smerom ako dopadajúci fotón. Toto je proces nútenej emisie.
Otvorenie
Stimulovaná emisia bola Einsteinovým teoretickým objavom v rámci starej kvantovej teórie, v ktorej je žiarenie opísané v termínoch fotónov, ktoré sú kvantami elektromagnetického poľa. Takéto žiarenie sa môže vyskytnúť aj v klasických modeloch bez odkazu na fotóny alebo kvantovú mechaniku.
Stimulovaná emisia môže byť modelovaná matematicky vzhľadom na atóm, ktorý môže byť v jednom z dvoch stavov elektronickej energie, v stave nižšej úrovne (pravdepodobne v základnom stave) a v excitovanom stave, s energiami E1 a E2.
Ak je atóm v excitovanom stave, môže sa rozpadnúť do nižšieho stavu prostredníctvom procesu spontánnej emisie, čím sa uvoľní energetický rozdiel medzi týmito dvoma stavmi ako fotón.
Alternatívne, ak je atóm excitovaného stavu narušený elektrickým poľom s frekvenciou ν0, môže emitovať ďalší fotón rovnakej frekvencie a vo fáze, čím sa zväčší vonkajšie pole a atóm zostane v stave s nižšou energiou.. Tento proces je známy ako stimulovaná emisia.
Proporcionalita
Konštanta úmernosti B21 použitá v rovniciach na určenie spontánnej a indukovanej emisie je známa ako Einsteinov koeficient B pre konkrétny prechod a ρ(ν) je hustota žiarenia dopadajúceho poľa pri frekvencii ν. Rýchlosť emisie je teda úmerná počtu atómov v excitovanom stave N2 a hustote dopadajúcich fotónov. Taká je podstatajavy stimulovanej emisie.
Súčasne prebehne proces atómovej absorpcie, ktorý odoberá energiu z poľa, čím sa elektróny dvíhajú z nižšieho stavu do vyššieho. Jeho rýchlosť je určená v podstate identickou rovnicou.
Čistý výkon sa teda uvoľňuje do elektrického poľa, ktoré sa rovná energii fotónu h krát táto čistá rýchlosť prechodu. Aby to bolo kladné číslo označujúce celkovú spontánnu a indukovanú emisiu, v excitovanom stave musí byť viac atómov ako v nižšej úrovni.
Rozdiely
Vlastnosťou stimulovanej emisie v porovnaní s konvenčnými zdrojmi svetla (ktoré závisia od spontánnej emisie) je, že emitované fotóny majú rovnakú frekvenciu, fázu, polarizáciu a smer šírenia ako dopadajúce fotóny. Zapojené fotóny sú teda vzájomne koherentné. Preto počas inverzie dochádza k optickému zosilneniu dopadajúceho žiarenia.
Zmena energie
Hoci energia generovaná stimulovanou emisiou je vždy na presnej frekvencii poľa, ktoré ju stimulovalo, vyššie uvedený popis výpočtu rýchlosti platí len pre excitáciu pri špecifickej optickej frekvencii, sile stimulovanej (alebo spontánnej) emisie budú klesať podľa tzv. tvaru čiary. Ak vezmeme do úvahy iba rovnomerné rozšírenie ovplyvňujúce atómovú alebo molekulárnu rezonanciu, funkcia tvaru spektrálnej čiary je opísaná ako Lorentzova distribúcia.
Stimulovaná emisia sa teda znížikoeficient. V praxi môže dôjsť aj k rozšíreniu tvaru čiary v dôsledku nehomogénneho rozšírenia, predovšetkým v dôsledku Dopplerovho javu vyplývajúceho z rozloženia rýchlostí v plyne pri určitej teplote. Toto má gaussovský tvar a znižuje špičkovú silu funkcie tvaru čiary. V praktickom probléme je možné vypočítať úplnú funkciu tvaru čiary konvolúciou jednotlivých zahrnutých funkcií tvaru čiar.
Stimulovaná emisia môže poskytnúť fyzikálny mechanizmus na optické zosilnenie. Ak vonkajší zdroj energie stimuluje viac ako 50 % atómov v základnom stave k prechodu do excitovaného stavu, potom sa vytvorí to, čo sa nazýva populačná inverzia.
Keď svetlo vhodnej frekvencie prechádza obráteným médiom, fotóny sú buď absorbované atómami, ktoré zostávajú v základnom stave, alebo stimulujú excitované atómy, aby emitovali ďalšie fotóny rovnakej frekvencie, fázy a smeru. Keďže v excitovanom stave je viac atómov ako v základnom stave, výsledkom je zvýšenie vstupnej intenzity.
Absorpcia žiarenia
Vo fyzike je absorpcia elektromagnetického žiarenia spôsob, akým je energia fotónu absorbovaná hmotou, zvyčajne elektrónmi atómu. Elektromagnetická energia sa tak premení na vnútornú energiu absorbéra, ako je teplo. Pokles intenzity svetelnej vlny šíriacej sa prostredím v dôsledku absorpcie niektorých jej fotónov sa často nazýva útlm.
Normálna absorpcia vĺnnezávisí od ich intenzity (lineárna absorpcia), hoci za určitých podmienok (zvyčajne v optike) médium mení priehľadnosť v závislosti od intenzity prenášaných vĺn a saturovateľnej absorpcie.
Existuje niekoľko spôsobov, ako kvantifikovať, ako rýchlo a efektívne je žiarenie absorbované v danom prostredí, ako napríklad absorpčný koeficient a niektoré úzko súvisiace odvodené veličiny.
Faktor útlmu
Niekoľko funkcií faktora útlmu:
- Faktor útlmu, ktorý je niekedy, ale nie vždy, synonymom absorpčného faktora.
- Molárna absorpčná kapacita sa nazýva koeficient molárnej extinkcie. Je to absorbancia delená molaritou.
- Faktor hmotnostného útlmu je absorpčný faktor delený hustotou.
- Prierezy absorpcie a rozptylu úzko súvisia s koeficientmi (absorpcia a útlm).
- Vyhynutie v astronómii je ekvivalentné faktoru tlmenia.
Konštanta pre rovnice
Ďalšie miery absorpcie žiarenia sú hĺbka prieniku a kožný efekt, konštanta šírenia, konštanta útlmu, fázová konštanta a komplexné vlnové číslo, komplexný index lomu a extinkčný koeficient, komplexná permitivita, elektrický odpor a vodivosť.
Absorpcia
Absorpcia (nazývaná aj optická hustota) a optickáhĺbka (tiež nazývaná optická hrúbka) sú dve vzájomne súvisiace miery.
Všetky tieto veličiny merajú, aspoň do určitej miery, koľko médium absorbuje žiarenie. Avšak odborníci v rôznych oblastiach a metódach zvyčajne používajú rôzne hodnoty prevzaté z vyššie uvedeného zoznamu.
Absorpcia objektu kvantifikuje, koľko dopadajúceho svetla absorbuje (namiesto odrazu alebo lomu). To môže súvisieť s inými vlastnosťami objektu prostredníctvom Beer-Lambertovho zákona.
Presné merania absorbancie pri mnohých vlnových dĺžkach umožňujú identifikovať látku pomocou absorpčnej spektroskopie, kde je vzorka osvetlená z jednej strany. Niekoľko príkladov absorpcie je ultrafialová-viditeľná spektroskopia, infračervená spektroskopia a röntgenová absorpčná spektroskopia.
Aplikácia
Pochopenie a meranie absorpcie elektromagnetického a indukovaného žiarenia má mnoho aplikácií.
Pri distribúcii, napríklad rádiom, je prezentovaná mimo zorného poľa.
Stimulovaná emisia laserov je tiež dobre známa.
V meteorológii a klimatológii globálne a lokálne teploty čiastočne závisia od absorpcie žiarenia atmosférickými plynmi (napríklad skleníkový efekt), ako aj povrchov pôdy a oceánov.
V medicíne sú röntgenové lúče v rôznej miere absorbované rôznymi tkanivami (najmä kosťami), čo je základ pre rádiografiu.
Používa sa tiež v chémii a materiálovej vede, ako odlišnémateriály a molekuly budú absorbovať žiarenie v rôznych stupňoch pri rôznych frekvenciách, čo umožní materiál identifikovať.
V optike sú slnečné okuliare, farebné filtre, farbivá a iné podobné materiály špeciálne navrhnuté tak, aby brali do úvahy, aké viditeľné vlnové dĺžky absorbujú a v akom pomere. Štruktúra skiel závisí od podmienok, za ktorých sa stimulovaná emisia objavuje.
V biológii vyžadujú fotosyntetické organizmy svetlo vhodnej vlnovej dĺžky, aby bolo absorbované v aktívnej oblasti chloroplastov. Je to nevyhnutné, aby sa svetelná energia mohla premeniť na chemickú energiu v cukroch a iných molekulách.
Vo fyzike je známe, že D-oblasť zemskej ionosféry výrazne pohlcuje rádiové signály, ktoré spadajú do vysokofrekvenčného elektromagnetického spektra a sú spojené s indukovaným žiarením.
V jadrovej fyzike možno absorpciu jadrového žiarenia použiť na meranie hladín kvapalín, denzitometriu alebo meranie hrúbky.
Hlavnými aplikáciami indukovaného žiarenia sú kvantové generátory, lasery, optické zariadenia.
