Стимулираната емисия е процесът, при който входящ фотон с определена честота може да взаимодейства с възбуден атомен електрон (или друго възбудено молекулярно състояние), което води до спадане до по-ниско енергийно ниво. Освободената енергия се прехвърля в електромагнитното поле, създавайки нов фотон с фаза, честота, поляризация и посока на движение, които са идентични с фотоните на падащата вълна. И това се случва за разлика от спонтанното излъчване, което работи на произволни интервали, без да се отчита околното електромагнитно поле.
Условия за получаване на стимулирана емисия
Процесът е идентичен по форма с атомната абсорбция, при която енергията на погълнатия фотон предизвиква идентичен, но противоположен атомен преход: от по-нисък къмпо-високо енергийно ниво. В нормални среди в топлинно равновесие абсорбцията превишава стимулираното излъчване, тъй като има повече електрони в състояния с по-ниска енергия, отколкото в състояния с по-висока енергия.
Въпреки това, когато е налице инверсия на населението, скоростта на стимулираното излъчване надвишава скоростта на абсорбция и може да се постигне чисто оптично усилване. Такава усилваща среда, заедно с оптичен резонатор, формира основата на лазер или мазер. Без механизъм за обратна връзка, лазерните усилватели и суперлуминесцентните източници също работят на базата на стимулирано излъчване.
Какво е основното условие за получаване на стимулирана емисия?
Електроните и техните взаимодействия с електромагнитни полета са важни в нашето разбиране за химията и физиката. В класическия възглед енергията на електрона, въртящ се около атомно ядро, е по-голяма за орбити, далеч от атомното ядро.
Когато един електрон абсорбира светлинна енергия (фотони) или топлинна енергия (фонони), той получава този падащ квант енергия. Но преходи са разрешени само между отделни енергийни нива, като двете, показани по-долу. Това води до емисионни и абсорбционни линии.
Енергиен аспект
По-нататък ще говорим за основното условие за получаване на индуцирана радиация. Когато един електрон се възбужда от по-ниско към по-високо енергийно ниво, е малко вероятно да остане така завинаги. Електронът във възбудено състояние може да се разпадне до по-нискоенергийно състояние, което не е заето, в съответствие с определена времева константа, характеризираща този преход.
Когато такъв електрон се разпада без външно влияние, излъчвайки фотон, това се нарича спонтанно излъчване. Фазата и посоката, свързани с излъчения фотон, са случайни. По този начин материал с много атоми в такова възбудено състояние може да доведе до излъчване, което има тесен спектър (центрирано около една дължина на вълната на светлината), но отделните фотони няма да имат общи фазови отношения и също ще бъдат излъчвани в произволни посоки. Това е механизмът на флуоресценция и генериране на топлина.
Външно електромагнитно поле с честотата, свързана с прехода, може да повлияе на квантово-механичното състояние на атома без абсорбция. Когато електрон в атом прави преход между две стационарни състояния (нито едно от които не показва диполно поле), той влиза в преходно състояние, което има диполно поле и действа като малък електрически дипол, който осцилира с характерна честота.
В отговор на външно електрическо поле с тази честота, вероятността за преход на електрон в такова състояние се увеличава значително. По този начин скоростта на преходите между две стационарни състояния надвишава величината на спонтанното излъчване. Преходът от по-високо към по-ниско енергийно състояние създава допълнителен фотон със същата фаза и посока като падащия фотон. Това е процесът на принудително излъчване.
Отваряне
Стимулираното излъчване е теоретичното откритие на Айнщайн според старата квантова теория, в която радиацията се описва чрез фотони, които са кванти на електромагнитното поле. Такова излъчване може да се появи и в класическите модели без препратка към фотоните или квантовата механика.
Стимулираната емисия може да бъде моделирана математически като се даде атом, който може да бъде в едно от двете електронни енергийни състояния, състояние на по-ниско ниво (вероятно основно състояние) и възбудено състояние, с енергии E1 и E2 съответно.
Ако един атом е във възбудено състояние, той може да се разпадне в по-ниско състояние чрез процес на спонтанно излъчване, освобождавайки енергийната разлика между двете състояния като фотон.
Алтернативно, ако атом във възбудено състояние е смутен от електрическо поле с честота ν0, той може да излъчва допълнителен фотон със същата честота и във фаза, като по този начин увеличава външното поле, оставяйки атома в по-ниско енергийно състояние. Този процес е известен като стимулирана емисия.
Пропорционалност
Константата на пропорционалност B21, използвана в уравненията за определяне на спонтанно и предизвикано излъчване, е известна като коефициент на Айнщайн B за този конкретен преход, а ρ(ν) е плътността на излъчване на падащото поле при честота ν. По този начин скоростта на излъчване е пропорционална на броя на атомите във възбуденото състояние N2 и плътността на падащите фотони. Такава е същносттафеномени на стимулирана емисия.
В същото време ще се осъществи процесът на атомна абсорбция, който премахва енергията от полето, издигайки електроните от долното състояние към горното. Скоростта му се определя от по същество идентично уравнение.
По този начин нетната мощност се отделя в електрическо поле, равно на енергията на фотон h, умножена на тази нетна скорост на преход. За да бъде това положително число, което показва общото спонтанно и предизвикано излъчване, трябва да има повече атоми във възбудено състояние, отколкото в по-ниското ниво.
Разлики
Свойствата на стимулираното излъчване в сравнение с конвенционалните източници на светлина (които зависят от спонтанното излъчване) са, че излъчваните фотони имат същата честота, фаза, поляризация и посока на разпространение като падащите фотони. По този начин участващите фотони са взаимно кохерентни. Следователно по време на инверсия се получава оптично усилване на падащото лъчение.
Енергийна промяна
Въпреки че енергията, генерирана от стимулирано излъчване, винаги е с точната честота на полето, което го е стимулирало, горното описание на изчислението на скоростта се отнася само за възбуждане при определена оптична честота, силата на стимулираното (или спонтанно) емисиите ще намалеят според наречената форма на линията. Като се има предвид само равномерното разширяване, засягащо атомния или молекулярния резонанс, функцията на формата на спектралната линия се описва като разпределение на Лоренц.
По този начин стимулираното излъчване се намалява с товакоефициент. На практика може да се осъществи и разширяване на формата на линия поради нехомогенно разширяване, главно поради ефекта на Доплер, произтичащ от разпределението на скоростите в газа при определена температура. Това има гаусова форма и намалява пиковата сила на функцията за форма на линията. В един практически проблем пълната функция за форма на линия може да бъде изчислена чрез конволюция на отделните участващи функции за форма на линия.
Стимулираното излъчване може да осигури физически механизъм за оптично усилване. Ако външен източник на енергия стимулира повече от 50% от атомите в основното състояние да преминат във възбудено състояние, тогава се създава така наречената инверсия на населението.
Когато светлината с подходяща честота преминава през обърната среда, фотоните или се абсорбират от атоми, които остават в основно състояние, или стимулират възбудените атоми да излъчват допълнителни фотони със същата честота, фаза и посока. Тъй като има повече атоми във възбудено състояние, отколкото в основно състояние, резултатът е увеличаване на интензитета на входа.
Поглъщане на радиация
Във физиката поглъщането на електромагнитно излъчване е начинът, по който енергията на фотона се абсорбира от материята, обикновено електроните на атома. По този начин електромагнитната енергия се преобразува във вътрешната енергия на абсорбера, като топлина. Намаляването на интензитета на светлинната вълна, разпространяваща се в среда поради поглъщането на някои от нейните фотони, често се нарича затихване.
Обикновено поглъщане на вълнине зависи от техния интензитет (линейно поглъщане), въпреки че при определени условия (обикновено в оптиката) средата променя прозрачността в зависимост от интензитета на предаваните вълни и насищащо поглъщане.
Има няколко начина за количествено определяне колко бързо и ефективно се абсорбира радиацията в дадена среда, като коефициент на поглъщане и някои тясно свързани производни количества.
Коефициент на затихване
Няколко характеристики на коефициента на затихване:
- Коефициент на затихване, който понякога, но не винаги, е синоним на коефициент на абсорбция.
- Моларната абсорбционна способност се нарича моларен коефициент на екстинкция. Това е абсорбцията, разделена на моларността.
- Коефициентът на затихване на масата е коефициентът на абсорбция, разделен на плътността.
- Напречните сечения на абсорбция и разсейване са тясно свързани с коефициентите (съответно поглъщане и затихване).
- Изчезването в астрономията е еквивалентно на коефициента на затихване.
Константа за уравнения
Други мерки за поглъщане на радиация са дълбочината на проникване и скин ефект, константа на разпространение, константа на затихване, фазова константа и комплексно вълново число, сложен индекс на пречупване и коефициент на екстинкция, комплексна проницаемост, електрическо съпротивление и проводимост.
Усвояване
Абсорбция (наричана още оптична плътност) и оптичнадълбочината (наричана още оптична дебелина) са две взаимосвързани мерки.
Всички тези количества измерват, поне до известна степен, колко една среда поглъща радиация. Въпреки това, практикуващите в различни области и методи обикновено използват различни стойности, взети от списъка по-горе.
Поглъщането на обект определя количествено колко падаща светлина се поглъща от него (вместо отражение или пречупване). Това може да бъде свързано с други свойства на обекта чрез закона на Биър-Ламбърт.
Прецизните измервания на абсорбцията при много дължини на вълната правят възможно идентифицирането на вещество с помощта на абсорбционна спектроскопия, при която пробата се осветява от едната страна. Няколко примера за абсорбция са ултравиолетова видима спектроскопия, инфрачервена спектроскопия и рентгенова абсорбционна спектроскопия.
Заявление
Разбирането и измерването на абсорбцията на електромагнитно и индуцирано лъчение има много приложения.
Когато се разпространява, например по радиото, се представя извън полезрението.
Стимулираното излъчване на лазери също е добре известно.
В метеорологията и климатологията глобалните и местните температури зависят отчасти от поглъщането на радиация от атмосферните газове (например парниковия ефект), както и от повърхностите на земята и океана.
В медицината рентгеновите лъчи се абсорбират в различна степен от различни тъкани (по-специално кости), което е основата за рентгенография.
Използва се също в химията и материалознанието, като различниматериалите и молекулите ще абсорбират радиация в различна степен на различни честоти, позволявайки на материала да бъде идентифициран.
В оптиката, слънчевите очила, цветните филтри, багрилата и други подобни материали са специално проектирани, за да се вземат предвид какви видими дължини на вълната поглъщат и в какви пропорции. Структурата на очилата зависи от условията, при които се появява стимулирано излъчване.
В биологията фотосинтетичните организми изискват светлина с подходяща дължина на вълната, за да се абсорбира в активната област на хлоропластите. Това е необходимо, за да може светлинната енергия да се преобразува в химическа енергия в захари и други молекули.
Във физиката е известно, че D-областта на земната йоносфера значително поглъща радиосигнали, които попадат във високочестотния електромагнитен спектър и са свързани с индуцирана радиация.
В ядрената физика поглъщането на ядрената радиация може да се използва за измерване на нивата на течности, денситометрия или измервания на дебелината.
Основните приложения на индуцираното лъчение са квантови генератори, лазери, оптични устройства.
