Stimulētā emisija ir process, kurā ienākošais noteiktas frekvences fotons var mijiedarboties ar ierosinātu atoma elektronu (vai citu ierosinātu molekulāro stāvokli), izraisot tā pazemināšanos līdz zemākam enerģijas līmenim. Atbrīvotā enerģija tiek pārnesta uz elektromagnētisko lauku, radot jaunu fotonu ar fāzi, frekvenci, polarizāciju un kustības virzienu, kas ir identisks krītošā viļņa fotoniem. Un tas notiek pretstatā spontānajam starojumam, kas darbojas nejaušos intervālos, neņemot vērā apkārtējo elektromagnētisko lauku.
Stimulētās emisijas iegūšanas nosacījumi
Process pēc formas ir identisks atomu absorbcijai, kurā absorbētā fotona enerģija izraisa identisku, bet pretēju atomu pāreju: no zemākas uzaugstāks enerģijas līmenis. Normālos apstākļos termiskā līdzsvara apstākļos absorbcija pārsniedz stimulēto emisiju, jo zemākas enerģijas stāvokļos ir vairāk elektronu nekā augstākās enerģijas stāvokļos.
Tomēr, ja notiek populācijas inversija, stimulētās emisijas ātrums pārsniedz absorbcijas ātrumu, un var panākt tīru optisko pastiprinājumu. Šāda pastiprinoša vide kopā ar optisko rezonatoru veido lāzera vai masera pamatu. Tā kā nav atgriezeniskās saites mehānisma, lāzera pastiprinātāji un superluminiscējošie avoti darbojas arī, pamatojoties uz stimulētu emisiju.
Kas ir galvenais nosacījums stimulētās emisijas iegūšanai?
Elektroniem un to mijiedarbībai ar elektromagnētiskajiem laukiem ir liela nozīme mūsu izpratnē par ķīmiju un fiziku. Klasiskā skatījumā elektrona enerģija, kas griežas ap atoma kodolu, ir lielāka orbītām, kas atrodas tālu no atoma kodola.
Kad elektrons absorbē gaismas enerģiju (fotonus) vai siltuma enerģiju (fononus), tas saņem šo krītošo enerģijas kvantu. Taču pārejas ir atļautas tikai starp atsevišķiem enerģijas līmeņiem, piemēram, diviem zemāk redzamajiem. Tā rezultātā veidojas emisijas un absorbcijas līnijas.
Enerģētikas aspekts
Tālāk parunāsim par galveno nosacījumu inducētā starojuma iegūšanai. Kad elektrons tiek ierosināts no zemāka uz augstāku enerģijas līmeni, maz ticams, ka tas tā paliks mūžīgi. Elektrons ierosinātā stāvoklī var samazināties līdz zemākam līmenimenerģijas stāvoklis, kas nav aizņemts, saskaņā ar noteiktu laika konstanti, kas raksturo šo pāreju.
Kad šāds elektrons sabrūk bez ārējas ietekmes, izstarojot fotonu, to sauc par spontānu emisiju. Fāze un virziens, kas saistīts ar izstaroto fotonu, ir nejauši. Tādējādi materiāls ar daudziem atomiem šādā ierosinātā stāvoklī var radīt starojumu ar šauru spektru (centrēts ap vienu gaismas viļņa garumu), bet atsevišķiem fotoniem nebūs kopīgas fāzes attiecības, un tie tiks izstaroti arī nejaušos virzienos. Tas ir fluorescences un siltuma veidošanās mehānisms.
Ārējais elektromagnētiskais lauks frekvencē, kas saistīta ar pāreju, var ietekmēt atoma kvantu mehānisko stāvokli bez absorbcijas. Kad elektrons atomā veic pāreju starp diviem stacionāriem stāvokļiem (nevienā no tiem nav dipola lauka), tas nonāk pārejas stāvoklī, kam ir dipola lauks, un tas darbojas kā mazs elektriskais dipols, kas svārstās ar raksturīgu frekvenci.
Reaģējot uz ārēju elektrisko lauku šajā frekvencē, elektronu pārejas iespējamība šādā stāvoklī ievērojami palielinās. Tādējādi pāreju ātrums starp diviem stacionāriem stāvokļiem pārsniedz spontānās emisijas lielumu. Pāreja no augstāka uz zemāku enerģijas stāvokli rada papildu fotonu ar tādu pašu fāzi un virzienu kā krītošajam fotonam. Šis ir piespiedu emisijas process.
Atklāšana
Stimulētā emisija bija Einšteina teorētiskais atklājums saskaņā ar veco kvantu teoriju, kurā starojums ir aprakstīts fotonu izteiksmē, kas ir elektromagnētiskā lauka kvanti. Šāds starojums var rasties arī klasiskajos modeļos, neatsaucoties uz fotoniem vai kvantu mehāniku.
Stimulēto emisiju var modelēt matemātiski, ņemot vērā atomu, kas var būt vienā no diviem elektroniskās enerģijas stāvokļiem, zemāka līmeņa stāvoklī (iespējams, pamata stāvoklī) un ierosinātā stāvoklī ar attiecīgi E1 un E2 enerģiju.
Ja atoms ir ierosinātā stāvoklī, tas spontānas emisijas procesā var sadalīties zemākā stāvoklī, atbrīvojot enerģijas starpību starp diviem stāvokļiem kā fotonu.
Alternatīvi, ja ierosinātā stāvokļa atomu traucē elektriskais lauks ar frekvenci ν0, tas var izstarot papildu fotonu ar tādu pašu frekvenci un fāzē, tādējādi palielinot ārējo lauku, atstājot atomu zemākas enerģijas stāvoklī.. Šis process ir pazīstams kā stimulēta emisija.
Proporcionalitāte
Proporcionalitātes konstante B21, ko izmanto vienādojumos spontānas un inducētas emisijas noteikšanai, ir zināma kā Einšteina koeficients B šai konkrētajai pārejai, un ρ(ν) ir krītošā lauka starojuma blīvums pie frekvences ν. Tādējādi emisijas ātrums ir proporcionāls atomu skaitam ierosinātajā stāvoklī N2 un krītošo fotonu blīvumam. Tāda ir būtībastimulētās emisijas parādības.
Tajā pašā laikā notiks atomu absorbcijas process, kas izvada enerģiju no lauka, paceļot elektronus no apakšējā stāvokļa uz augšējo. Tā ātrumu nosaka būtībā identisks vienādojums.
Tādējādi tīrā jauda tiek izlaista elektriskajā laukā, kas vienāda ar fotona enerģiju, h reizinot šo neto pārejas ātrumu. Lai tas būtu pozitīvs skaitlis, kas norāda kopējo spontāno un inducēto emisiju, ierosinātajā stāvoklī ir jābūt vairāk atomu nekā zemākajā līmenī.
Atšķirības
Stimulētās emisijas īpašības salīdzinājumā ar parastajiem gaismas avotiem (kas ir atkarīgi no spontānās emisijas) ir tādas, ka izstarotajiem fotoniem ir tāda pati frekvence, fāze, polarizācija un izplatīšanās virziens kā krītošajiem fotoniem. Tādējādi iesaistītie fotoni ir savstarpēji saskaņoti. Tāpēc inversijas laikā notiek krītošā starojuma optiskā pastiprināšanās.
Enerģijas maiņa
Lai gan stimulētās emisijas radītā enerģija vienmēr ir precīzā lauka frekvencē, kas to stimulēja, iepriekš minētais ātruma aprēķina apraksts attiecas tikai uz ierosmi noteiktā optiskā frekvencē, stimulētās (vai spontānās) emisija samazināsies atbilstoši sauktajai līnijas formai. Ņemot vērā tikai vienmērīgu paplašināšanos, kas ietekmē atomu vai molekulāro rezonansi, spektrālās līnijas formas funkcija ir aprakstīta kā Lorenca sadalījums.
Tādējādi stimulētā emisija tiek samazinātakoeficients. Praksē var notikt arī līnijas formas paplašināšanās neviendabīgas paplašināšanās dēļ, galvenokārt Doplera efekta dēļ, kas izriet no ātruma sadalījuma gāzē noteiktā temperatūrā. Tam ir Gausa forma un tas samazina līnijas formas funkcijas maksimālo stiprumu. Praktiskā uzdevumā visu līniju formas funkciju var aprēķināt, apvienojot atsevišķās iesaistītās līnijas formas funkcijas.
Stimulētā emisija var nodrošināt fizisku optiskās pastiprināšanas mehānismu. Ja ārējs enerģijas avots stimulē vairāk nekā 50% no pamata stāvoklī esošajiem atomiem pāriet uz ierosināto stāvokli, tad tiek radīta tā sauktā populācijas inversija.
Kad atbilstošas frekvences gaisma iziet cauri apgrieztai barotnei, fotonus vai nu absorbē atomi, kas paliek pamatstāvoklī, vai arī stimulē ierosinātos atomus izstarot papildu fotonus ar tādu pašu frekvenci, fāzi un virzienu. Tā kā ierosinātā stāvoklī ir vairāk atomu nekā pamata stāvoklī, rezultātā palielinās ievades intensitāte.
Radiācijas absorbcija
Fizikā elektromagnētiskā starojuma absorbcija ir veids, kā fotona enerģiju absorbē viela, parasti atoma elektroni. Tādējādi elektromagnētiskā enerģija tiek pārvērsta absorbētāja iekšējā enerģijā, piemēram, siltumā. Gaismas viļņa, kas izplatās vidē, intensitātes samazināšanos dažu tā fotonu absorbcijas dēļ bieži sauc par vājināšanos.
Parasti viļņu absorbcijanav atkarīga no to intensitātes (lineārā absorbcija), lai gan noteiktos apstākļos (parasti optikā) vide maina caurspīdīgumu atkarībā no pārraidīto viļņu intensitātes un piesātinātās absorbcijas.
Ir vairāki veidi, kā kvantitatīvi noteikt, cik ātri un efektīvi starojums tiek absorbēts noteiktā vidē, piemēram, absorbcijas koeficients un daži cieši saistīti atvasinātie daudzumi.
Vājinājuma koeficients
Vairākas vājinājuma faktoru funkcijas:
- Vājināšanās faktors, kas dažkārt, bet ne vienmēr, ir sinonīms absorbcijas faktoram.
- Molāro absorbcijas spēju sauc par molāro ekstinkcijas koeficientu. Tā ir absorbcija dalīta ar molaritāti.
- Masas vājināšanās koeficients ir absorbcijas koeficients, kas dalīts ar blīvumu.
- Absorbcijas un izkliedes šķērsgriezumi ir cieši saistīti ar koeficientiem (attiecīgi absorbcija un vājināšanās).
- Izmiršana astronomijā ir līdzvērtīga slāpēšanas koeficientam.
Konstante vienādojumiem
Citi starojuma absorbcijas rādītāji ir iespiešanās dziļums un ādas efekts, izplatīšanās konstante, vājināšanās konstante, fāzes konstante un kompleksais viļņu skaits, kompleksais laušanas koeficients un ekstinkcijas koeficients, kompleksā caurlaidība, elektriskā pretestība un vadītspēja.
absorbcija
Absorbcija (saukta arī par optisko blīvumu) un optiskādziļums (saukts arī par optisko biezumu) ir divi savstarpēji saistīti mēri.
Visi šie lielumi vismaz zināmā mērā mēra, cik daudz vide absorbē starojumu. Tomēr dažādu jomu un metožu praktiķi parasti izmanto dažādas vērtības, kas ņemtas no iepriekš minētā saraksta.
Priekšmeta absorbcija nosaka, cik daudz krītošās gaismas tas absorbē (nevis atstarošanas vai laušanas). Tas var būt saistīts ar citām objekta īpašībām, izmantojot Bēra–Lamberta likumu.
Precīzi absorbcijas mērījumi pie daudziem viļņu garumiem ļauj identificēt vielu, izmantojot absorbcijas spektroskopiju, kurā paraugs tiek apgaismots no vienas puses. Daži absorbcijas piemēri ir ultravioletā redzamā spektroskopija, infrasarkanā spektroskopija un rentgenstaru absorbcijas spektroskopija.
Pieteikums
Elektromagnētiskā un inducētā starojuma absorbcijas izpratnei un mērīšanai ir daudz pielietojumu.
Izplatot, piemēram, pa radio, tas tiek parādīts ārpus redzamības zonas.
Lāzeru stimulētā emisija arī ir labi zināma.
Meteoroloģijā un klimatoloģijā globālās un vietējās temperatūras daļēji ir atkarīgas no atmosfēras gāzu starojuma absorbcijas (piemēram, siltumnīcas efekta), kā arī no zemes un okeāna virsmām.
Medicīnā rentgenstarus dažādās pakāpēs absorbē dažādi audi (īpaši kauli), kas ir radiogrāfijas pamatā.
Izmanto arī ķīmijā un materiālzinātnē, kā savādākmateriāli un molekulas dažādās frekvencēs absorbēs starojumu dažādās pakāpēs, ļaujot identificēt materiālu.
Optikā saulesbrilles, krāsu filtri, krāsvielas un citi līdzīgi materiāli ir īpaši izstrādāti, lai ņemtu vērā, kādus redzamos viļņu garumus un kādās proporcijās tie absorbē. Briļļu struktūra ir atkarīga no apstākļiem, kādos parādās stimulētā emisija.
Bioloģijā fotosintētiskajiem organismiem ir nepieciešama atbilstoša viļņa garuma gaisma, lai tie tiktu absorbēti hloroplastu aktīvajā reģionā. Tas ir nepieciešams, lai gaismas enerģiju cukuros un citās molekulās varētu pārvērst ķīmiskajā enerģijā.
Fizikā ir zināms, ka Zemes jonosfēras D apgabals ievērojami absorbē radiosignālus, kas ietilpst augstfrekvences elektromagnētiskajā spektrā un ir saistīti ar inducēto starojumu.
Kodolfizikā kodolstarojuma absorbciju var izmantot šķidruma līmeņa mērīšanai, densitometrijai vai biezuma mērījumiem.
Galvenais inducētā starojuma pielietojums ir kvantu ģeneratori, lāzeri, optiskās ierīces.
