Stimulovaná emise je proces, při kterém může přicházející foton určité frekvence interagovat s excitovaným atomovým elektronem (nebo jiným excitovaným molekulárním stavem), což způsobí jeho pokles na nižší energetickou hladinu. Uvolněná energie se přenese do elektromagnetického pole, čímž vznikne nový foton s fází, frekvencí, polarizací a směrem pohybu, které jsou shodné s fotony dopadající vlny. A to se děje na rozdíl od spontánního záření, které funguje v náhodných intervalech, bez ohledu na okolní elektromagnetické pole.
Podmínky pro získání stimulované emise
Tento proces je svou formou identický s atomovou absorpcí, ve které energie absorbovaného fotonu způsobí stejný, ale opačný atomový přechod: z nižšího navyšší energetickou hladinu. V normálním prostředí v tepelné rovnováze absorpce převyšuje stimulovanou emisi, protože ve stavech s nižší energií je více elektronů než ve stavech s vyšší energií.
Pokud je však přítomna inverze populace, rychlost stimulované emise převyšuje rychlost absorpce a lze dosáhnout čistého optického zesílení. Takové zesilovací médium spolu s optickým rezonátorem tvoří základ laseru nebo maseru. Bez mechanismu zpětné vazby fungují laserové zesilovače a superluminiscenční zdroje také na bázi stimulované emise.
Jaká je hlavní podmínka pro získání stimulované emise?
Elektrony a jejich interakce s elektromagnetickými poli jsou důležité pro naše chápání chemie a fyziky. V klasickém pohledu je energie elektronu obíhajícího kolem atomového jádra větší pro oběžné dráhy daleko od atomového jádra.
Když elektron absorbuje světelnou energii (fotony) nebo tepelnou energii (fonony), přijímá toto dopadající kvantum energie. Přechody jsou však povoleny pouze mezi jednotlivými úrovněmi energie, jako jsou dvě níže uvedené. Výsledkem jsou emisní a absorpční čáry.
Energetický aspekt
Dále budeme hovořit o hlavní podmínce pro získání indukovaného záření. Když je elektron excitován z nižší na vyšší energetickou hladinu, je nepravděpodobné, že to tak zůstane navždy. Elektron v excitovaném stavu se může rozpadnout na nižšíenergetický stav, který není obsazen, v souladu s určitou časovou konstantou charakterizující tento přechod.
Když se takový elektron rozpadne bez vnějšího vlivu a vyzáří foton, nazývá se to spontánní emise. Fáze a směr související s emitovaným fotonem jsou náhodné. Materiál s mnoha atomy v takto excitovaném stavu tedy může mít za následek záření, které má úzké spektrum (střed kolem jediné vlnové délky světla), ale jednotlivé fotony nebudou mít společné fázové vztahy a budou také emitovány v náhodných směrech. Toto je mechanismus fluorescence a generování tepla.
Vnější elektromagnetické pole na frekvenci spojené s přechodem může ovlivnit kvantově mechanický stav atomu bez absorpce. Když elektron v atomu provede přechod mezi dvěma stacionárními stavy (ani jeden nevykazuje dipólové pole), vstoupí do přechodového stavu, který má dipólové pole a chová se jako malý elektrický dipól, který kmitá na charakteristické frekvenci.
V reakci na vnější elektrické pole o této frekvenci se pravděpodobnost přechodu elektronů do takového stavu výrazně zvyšuje. Rychlost přechodů mezi dvěma stacionárními stavy tedy převyšuje velikost spontánní emise. Přechodem z vyššího do nižšího energetického stavu vzniká další foton se stejnou fází a směrem jako dopadající foton. Toto je proces nucené emise.
Otevření
Stimulovaná emise byl Einsteinův teoretický objev v rámci staré kvantové teorie, ve které je záření popsáno pomocí fotonů, což jsou kvanta elektromagnetického pole. Takové záření se může vyskytovat i v klasických modelech bez odkazu na fotony nebo kvantovou mechaniku.
Stimulovanou emisi lze modelovat matematicky vzhledem k atomu, který může být v jednom ze dvou stavů elektronické energie, ve stavu nižší úrovně (pravděpodobně v základním stavu) a ve vybuzeném stavu, s energiemi E1 a E2.
Pokud je atom v excitovaném stavu, může se rozpadnout do nižšího stavu prostřednictvím procesu spontánní emise, čímž se uvolní energetický rozdíl mezi těmito dvěma stavy jako foton.
Alternativně, pokud je atom excitovaného stavu rušen elektrickým polem o frekvenci ν0, může emitovat další foton o stejné frekvenci a ve fázi, čímž se zvýší vnější pole a atom zůstane ve stavu s nižší energií. Tento proces je známý jako stimulovaná emise.
Proporcionalita
Konstanta úměrnosti B21 použitá v rovnicích pro stanovení spontánní a indukované emise je známá jako Einsteinův koeficient B pro tento konkrétní přechod a ρ(ν) je hustota záření dopadajícího pole na frekvenci ν. Rychlost emise je tedy úměrná počtu atomů v excitovaném stavu N2 a hustotě dopadajících fotonů. Taková je podstatajevy stimulované emise.
Současně proběhne proces atomové absorpce, který odebere energii z pole a elektrony zvedne z nižšího stavu do horního. Jeho rychlost je určena v podstatě identickou rovnicí.
Čistý výkon se tedy uvolňuje do elektrického pole rovnající se energii fotonu h krát tato čistá rychlost přechodu. Aby to bylo kladné číslo udávající celkovou spontánní a indukovanou emisi, musí být v excitovaném stavu více atomů než v nižší úrovni.
Rozdíly
Vlastností stimulované emise ve srovnání s konvenčními zdroji světla (které závisí na spontánní emisi) je, že emitované fotony mají stejnou frekvenci, fázi, polarizaci a směr šíření jako dopadající fotony. Zúčastněné fotony jsou tedy vzájemně koherentní. Proto během inverze dochází k optickému zesílení dopadajícího záření.
Změna energie
Přestože energie generovaná stimulovanou emisí je vždy na přesné frekvenci pole, které ji stimulovalo, výše uvedený popis výpočtu rychlosti se vztahuje pouze na buzení při specifické optické frekvenci, sílu stimulované (nebo spontánní) emise se sníží podle tzv. tvaru čáry. Vezmeme-li v úvahu pouze rovnoměrné rozšíření ovlivňující atomovou nebo molekulární rezonanci, je funkce tvaru spektrální čáry popsána jako Lorentzova distribuce.
Stimulovaná emise se tím snižujesoučinitel. V praxi může také docházet k rozšiřování tvaru čar v důsledku nehomogenního rozšíření, především díky Dopplerovu jevu vyplývajícímu z rozložení rychlostí v plynu při určité teplotě. To má gaussovský tvar a snižuje špičkovou sílu funkce tvaru čáry. V praktickém problému lze úplnou funkci tvaru čáry vypočítat konvolucí jednotlivých zahrnutých funkcí tvaru čáry.
Stimulovaná emise může poskytnout fyzický mechanismus pro optické zesílení. Pokud vnější zdroj energie stimuluje více než 50 % atomů v základním stavu k přechodu do excitovaného stavu, vytvoří se to, čemu se říká populační inverze.
Když světlo příslušné frekvence prochází obráceným prostředím, fotony jsou buď absorbovány atomy, které zůstávají v základním stavu, nebo stimulují excitované atomy, aby emitovaly další fotony stejné frekvence, fáze a směru. Protože v excitovaném stavu je více atomů než v základním stavu, výsledkem je zvýšení vstupní intenzity.
Absorpce záření
Ve fyzice je absorpce elektromagnetického záření způsob, jakým je energie fotonu absorbována hmotou, obvykle elektrony atomu. Elektromagnetická energie se tak přemění na vnitřní energii absorbéru, jako je teplo. Pokles intenzity světelné vlny šířící se prostředím v důsledku absorpce některých jejích fotonů se často nazývá útlum.
Normální absorpce vlnnezávisí na jejich intenzitě (lineární absorpce), i když za určitých podmínek (obvykle v optice) médium mění průhlednost v závislosti na intenzitě přenášených vln a saturovatelné absorpci.
Existuje několik způsobů, jak kvantifikovat, jak rychle a efektivně je záření absorbováno v daném prostředí, jako je absorpční koeficient a některé úzce související odvozené veličiny.
Faktor útlumu
Několik funkcí útlumového faktoru:
- Faktor útlumu, který je někdy, ale ne vždy, synonymem absorpčního faktoru.
- Molární absorpční kapacita se nazývá molární extinkční koeficient. Je to absorbance dělená molaritou.
- Faktor hmotnostního útlumu je faktor absorpce dělený hustotou.
- Absorpční a rozptylové průřezy úzce souvisí s koeficienty (absorpce a útlum, v tomto pořadí).
- Vymírání v astronomii je ekvivalentní faktoru tlumení.
Konstanta pro rovnice
Další měření absorpce záření jsou hloubka průniku a kožní efekt, konstanta šíření, konstanta zeslabení, fázová konstanta a komplexní vlnové číslo, komplexní index lomu a extinkční koeficient, komplexní permitivita, elektrický odpor a vodivost.
Absorpce
Absorpce (také nazývaná optická hustota) a optickáhloubka (také nazývaná optická tloušťka) jsou dvě vzájemně související míry.
Všechny tyto veličiny alespoň do určité míry měří, jak moc médium absorbuje záření. Praktici různých oborů a metod však obvykle používají různé hodnoty převzaté z výše uvedeného seznamu.
Absorpce objektu kvantifikuje, kolik dopadajícího světla je absorbováno (místo odrazu nebo lomu). To může souviset s dalšími vlastnostmi předmětu prostřednictvím Beer-Lambertova zákona.
Přesná měření absorbance na mnoha vlnových délkách umožňují identifikaci látky pomocí absorpční spektroskopie, kdy je vzorek osvětlen z jedné strany. Několik příkladů absorpce je ultrafialová-viditelná spektroskopie, infračervená spektroskopie a rentgenová absorpční spektroskopie.
Aplikace
Porozumění a měření absorpce elektromagnetického a indukovaného záření má mnoho aplikací.
Při distribuci, například rádiem, je prezentována mimo zorný úhel.
Stimulovaná emise laserů je také dobře známá.
V meteorologii a klimatologii závisí globální a místní teploty zčásti na absorpci záření atmosférickými plyny (například skleníkový efekt) a také na povrchu země a oceánu.
V lékařství je rentgenové záření v různé míře absorbováno různými tkáněmi (zejména kostí), což je základem pro rentgenografii.
Používá se také v chemii a vědě o materiálech, protože se lišímateriály a molekuly budou absorbovat záření v různé míře na různých frekvencích, což umožní materiál identifikovat.
V optice jsou sluneční brýle, barevné filtry, barviva a další podobné materiály speciálně navrženy tak, aby braly v úvahu, jaké viditelné vlnové délky absorbují a v jakých poměrech. Struktura skel závisí na podmínkách, za kterých se stimulovaná emise objevuje.
V biologii vyžadují fotosyntetické organismy světlo o vhodné vlnové délce, aby bylo absorbováno v aktivní oblasti chloroplastů. To je nezbytné, aby se světelná energie mohla přeměnit na chemickou energii v cukrech a jiných molekulách.
Ve fyzice je známo, že D-oblast zemské ionosféry významně pohlcuje rádiové signály, které spadají do vysokofrekvenčního elektromagnetického spektra a jsou spojeny s indukovaným zářením.
V jaderné fyzice může být absorpce jaderného záření použita k měření hladin kapalin, denzitometrie nebo měření tloušťky.
Hlavními aplikacemi indukovaného záření jsou kvantové generátory, lasery, optická zařízení.
