Stimuleeritud emissioon on protsess, mille käigus teatud sagedusega sissetulev footon võib interakteeruda ergastatud aatomielektroniga (või muu ergastatud molekulaarse olekuga), põhjustades selle langemise madalamale energiatasemele. Vabanenud energia kantakse üle elektromagnetvälja, luues uue footoni, mille faas, sagedus, polarisatsioon ja liikumissuund on identsed langeva laine footonitega. Ja see juhtub vastupidiselt spontaansele kiirgusele, mis töötab juhuslike ajavahemike järel, võtmata arvesse ümbritsevat elektromagnetvälja.
Stimuleeritud emissiooni saamise tingimused
Protsess on vormilt identne aatomabsorptsiooniga, milles neeldunud footoni energia põhjustab identse, kuid vastupidise aatomi ülemineku: madalam altkõrgem energiatase. Tavalistes termilises tasakaalus olevates keskkondades ületab neeldumine stimuleeritud emissiooni, kuna madalama energiaga olekutes on rohkem elektrone kui suurema energiaga olekutes.
Kuid populatsiooni inversioon on olemas, ületab stimuleeritud emissiooni kiirus neeldumiskiirust ja on võimalik saavutada puhas optiline võimendus. Selline võimenduskeskkond koos optilise resonaatoriga moodustab laseri või maseri aluse. Tagasisidemehhanismi puudumisel töötavad laservõimendid ja superluminestsentsallikad samuti stimuleeritud emissiooni alusel.
Mis on stimuleeritud emissiooni saamise põhitingimus?
Elektronid ja nende vastasmõju elektromagnetväljadega on meie arusaamises keemiast ja füüsikast olulised. Klassikalises vaates on ümber aatomituuma tiirleva elektroni energia suurem aatomituumast kaugel asuvatel orbiitidel.
Kui elektron neelab valgusenergiat (footonid) või soojusenergiat (fononid), võtab ta vastu selle juhusliku energiakvanti. Kuid üleminekud on lubatud ainult diskreetsete energiatasemete vahel, nagu kaks allpool näidatud. Selle tulemuseks on emissiooni- ja neeldumisjooned.
Energiaaspekt
Järgmisena räägime indutseeritud kiirguse saamise põhitingimusest. Kui elektron ergastatakse madalam alt energiatasemelt kõrgemale, ei jää see tõenäoliselt igavesti selliseks. Ergastatud olekus elektron võib laguneda madalamaksenergia olek, mis ei ole hõivatud, vastav alt seda üleminekut iseloomustavale teatud ajakonstandile.
Kui selline elektron laguneb ilma välise mõjuta, kiirgades footoni, nimetatakse seda spontaanseks emissiooniks. Emiteeritud footoniga seotud faas ja suund on juhuslikud. Seega võib materjal, milles on palju aatomeid sellises ergastatud olekus, anda tulemuseks kitsa spektriga kiirguse (keskmes ühe valguse lainepikkuse ümber), kuid üksikutel footonitel ei ole ühiseid faasisuhteid ja neid kiirgatakse ka juhuslikes suundades. See on fluorestsentsi ja soojuse tekke mehhanism.
Väline elektromagnetväli üleminekuga seotud sagedusel võib mõjutada aatomi kvantmehaanilist olekut ilma neeldumiseta. Kui aatomis olev elektron teeb ülemineku kahe statsionaarse oleku vahel (kumbki neist ei näita dipoolvälja), siseneb ta üleminekuolekusse, millel on dipoolväli ja mis toimib väikese elektrilise dipoolina, mis võngub iseloomuliku sagedusega.
Vastuseks välisele elektriväljale sellel sagedusel suureneb oluliselt elektronide ülemineku tõenäosus sellisesse olekusse. Seega ületab kahe statsionaarse oleku ülemineku kiirus spontaanse emissiooni ulatuse. Üleminek kõrgemast energiaolekust madalamasse loob täiendava footoni, millel on langeval footonil sama faas ja suund. See on sundheitmete protsess.
Avamine
Stimuleeritud emissioon oli Einsteini teoreetiline avastus vana kvantteooria alusel, milles kiirgust kirjeldatakse footonitena, mis on elektromagnetvälja kvantid. Selline kiirgus võib esineda ka klassikalistes mudelites ilma footonitele või kvantmehaanikale viitamata.
Stimuleeritud emissiooni saab matemaatiliselt modelleerida, andes aatomi, mis võib olla ühes kahest elektroonilise energia olekust, madalama taseme olekus (võimalik, et põhiolekus) ja ergastatud olekus, energiatega vastav alt E1 ja E2.
Kui aatom on ergastatud olekus, võib see spontaanse emissiooni käigus laguneda madalamasse olekusse, vabastades kahe oleku energiaerinevuse footonina.
Kui ergastatud oleku aatomit häirib sagedusega ν0 elektriväli, võib see kiirata täiendava sama sagedusega ja faasis footoni, suurendades seeläbi välist välja, jättes aatomi madalama energiaga olekusse.. Seda protsessi nimetatakse stimuleeritud emissiooniks.
Proportsionaalsus
Spontaanse ja indutseeritud emissiooni määramise võrrandites kasutatav proportsionaalsuse konstant B21 on selle konkreetse ülemineku jaoks tuntud kui Einsteini koefitsient B ja ρ(ν) on langeva välja kiirgustihedus sagedusel ν. Seega on emissioonikiirus võrdeline aatomite arvuga ergastatud olekus N2 ja langevate footonite tihedusega. Selline on olemusstimuleeritud emissiooni nähtused.
Samal ajal toimub aatomiabsorptsiooni protsess, mis eemaldab väljast energia, tõstes elektronid alumisest olekust ülemisse. Selle kiirus määratakse sisuliselt identse võrrandiga.
Seega vabaneb netovõimsus elektrivälja, mis võrdub footoni energiaga h korda see netosiirdekiirus. Selleks, et see oleks positiivne arv, mis näitab spontaanse ja indutseeritud emissiooni kogusummat, peab ergastatud olekus olema rohkem aatomeid kui madalamal tasemel.
Erinevused
Stimuleeritud emissiooni omadused võrreldes tavaliste valgusallikatega (mis sõltuvad spontaansest kiirgusest) seisnevad selles, et kiiratavatel footonitel on sama sagedus, faas, polarisatsioon ja levimise suund kui langevatel footonitel. Seega on kaasatud footonid vastastikku koherentsed. Seetõttu toimub inversiooni ajal langeva kiirguse optiline võimendus.
Energiamuutus
Kuigi stimuleeritud emissiooni tekitatud energia on alati seda stimuleerinud välja täpsel sagedusel, kehtib ül altoodud kiiruse arvutamise kirjeldus ainult teatud optilise sageduse, stimuleeritud (või spontaanse) tugevuse korral. emissioon väheneb vastav alt nn joone kujule. Arvestades ainult ühtlast laienemist, mis mõjutab aatomi- või molekulaarresonantsi, kirjeldatakse spektraaljoone kuju funktsiooni Lorentzi jaotusena.
Seega väheneb stimuleeritud emissioon selle võrrakoefitsient. Praktikas võib toimuda ka ebaühtlasest laienemisest tingitud joonekuju laienemine, eelkõige Doppleri efekti tõttu, mis tuleneb kiiruste jaotumisest gaasis teatud temperatuuril. Sellel on Gaussi kuju ja see vähendab joone kuju funktsiooni tipptugevust. Praktilises ülesandes saab täieliku joonekuju funktsiooni arvutada kaasatud üksikute joonekuju funktsioonide konvoleerimise teel.
Stimuleeritud emissioon võib pakkuda optilise võimenduse füüsilise mehhanismi. Kui väline energiaallikas stimuleerib rohkem kui 50% põhiolekus olevatest aatomitest ergastatud olekusse üleminekuks, tekib nn populatsiooni inversioon.
Kui sobiva sagedusega valgus läbib ümberpööratud keskkonda, neelduvad footonid põhiolekusse jäänud aatomites või stimuleerivad ergastatud aatomeid kiirgama täiendavaid sama sageduse, faasi ja suunaga footoneid. Kuna ergastatud olekus on rohkem aatomeid kui põhiolekus, siis on tulemuseks sisendi intensiivsuse suurenemine.
Kiirguse neeldumine
Füüsikas on elektromagnetkiirguse neeldumine viis, kuidas footoni energia neeldub aines, tavaliselt aatomi elektronides. Seega muundatakse elektromagnetiline energia neelduja siseenergiaks, näiteks soojuseks. Keskkonnas leviva valguslaine intensiivsuse vähenemist selle osa footonite neeldumise tõttu nimetatakse sageli sumbumiseks.
Tavaliselt laine neeldumineei sõltu nende intensiivsusest (lineaarne neeldumine), kuigi teatud tingimustel (tavaliselt optikas) muudab keskkond läbipaistvust sõltuv alt ülekantavate lainete intensiivsusest ja küllastuvast neeldumisest.
Kvantifitseerimiseks, kui kiiresti ja tõhus alt kiirgus antud keskkonnas neeldub, on mitu võimalust, näiteks neeldumistegur ja mõned sellega tihed alt seotud tuletiskogused.
Summutustegur
Mitu sumbumisteguri funktsiooni:
- Summutustegur, mis on mõnikord, kuid mitte alati, neeldumisteguri sünonüüm.
- Molaarset neeldumisvõimet nimetatakse molaarseks ekstinktsiooniteguriks. See on neeldumine jagatud molaarsusega.
- Massi sumbumise tegur on neeldumistegur jagatud tihedusega.
- Neeldumise ja hajumise ristlõiked on tihed alt seotud koefitsientidega (vastav alt neeldumine ja sumbumine).
- Astronoomias on väljasuremine samaväärne summutusteguriga.
Konstant võrrandite jaoks
Teised kiirguse neeldumise mõõdud on läbitungimissügavus ja nahaefekt, levimiskonstant, sumbumise konstant, faasikonstant ja komplekslainearv, kompleksne murdumisnäitaja ja ekstinktsioonikoefitsient, kompleksläbivus, elektritakistus ja juhtivus.
Imendumine
Neeldumine (nimetatakse ka optiliseks tiheduseks) ja optilinesügavus (nimetatakse ka optiliseks paksuseks) on kaks omavahel seotud mõõdet.
Kõik need suurused mõõdavad vähem alt mingil määral seda, kui palju keskkond kiirgust neelab. Erinevate valdkondade ja meetodite praktikud kasutavad aga tavaliselt erinevaid ül altoodud loendist võetud väärtusi.
Objekti neeldumine kvantifitseerib, kui palju langevat valgust see neelab (peegelduse või murdumise asemel). See võib Beer-Lamberti seaduse kaudu olla seotud objekti muude omadustega.
Neeldumise täpsed mõõtmised paljudel lainepikkustel võimaldavad ainet identifitseerida neeldumisspektroskoopia abil, kus proov on valgustatud ühelt poolt. Mõned näited neeldumisest on ultraviolettkiirguse nähtava spektroskoopia, infrapunaspektroskoopia ja röntgenikiirguse neeldumisspektroskoopia.
Rakendus
Elektromagnetilise ja indutseeritud kiirguse neeldumise mõistmisel ja mõõtmisel on palju rakendusi.
Kui seda levitatakse näiteks raadio teel, esitatakse see vaateväljast väljas.
Laserite stimuleeritud emissioon on samuti hästi teada.
Meteoroloogias ja klimatoloogias sõltuvad globaalsed ja kohalikud temperatuurid osaliselt atmosfäärigaaside kiirguse neeldumisest (nt kasvuhooneefekt), aga ka maa- ja ookeanipindadest.
Meditsiinis neelavad röntgenkiirgust erineval määral erinevad kuded (eriti luud), mis on radiograafia aluseks.
Kasutatakse erinevana ka keemias ja materjaliteadusesmaterjalid ja molekulid neelavad erinevatel sagedustel erineval määral kiirgust, mis võimaldab materjali tuvastada.
Optikas on päikeseprillid, värvifiltrid, värvained ja muud sarnased materjalid spetsiaalselt loodud võtma arvesse, milliseid nähtavaid lainepikkusi ja mis vahekorras need neelavad. Prillide struktuur sõltub stimuleeritud emissiooni tekkimise tingimustest.
Bioloogias vajavad fotosünteesivad organismid sobiva lainepikkusega valgust, et neelduda kloroplastide aktiivses piirkonnas. See on vajalik selleks, et valgusenergia saaks suhkrutes ja teistes molekulides muundada keemiliseks energiaks.
Füüsikas on teada, et Maa ionosfääri D-piirkond neelab märkimisväärselt raadiosignaale, mis langevad kõrgsageduslikku elektromagnetilist spektrit ja on seotud indutseeritud kiirgusega.
Tuumafüüsikas saab tuumakiirguse neeldumist kasutada vedeliku taseme, densitomeetria või paksuse mõõtmiseks.
Indutseeritud kiirguse peamised rakendused on kvantgeneraatorid, laserid, optilised seadmed.
