L'emissió estimulada és el procés pel qual un fotó entrant d'una determinada freqüència pot interactuar amb un electró atòmic excitat (o un altre estat molecular excitat), fent que caigui a un nivell d'energia més baix. L'energia alliberada es transfereix al camp electromagnètic, creant un nou fotó amb una fase, freqüència, polarització i direcció de moviment idèntiques als fotons de l'ona incident. I això passa a diferència de la radiació espontània, que funciona a intervals aleatoris, sense tenir en compte el camp electromagnètic circumdant.
Condicions per obtenir l'emissió estimulada
El procés és idèntic en forma a l'absorció atòmica, en la qual l'energia del fotó absorbit provoca una transició atòmica idèntica però oposada: de inferior anivell energètic més alt. En entorns normals en equilibri tèrmic, l'absorció supera l'emissió estimulada perquè hi ha més electrons en estats d'energia més baixa que en estats d'energia més alta.
No obstant això, quan hi ha inversió de població, la taxa d'emissió estimulada supera la taxa d'absorció i es pot aconseguir una amplificació òptica pura. Aquest mitjà amplificador, juntament amb un ressonador òptic, constitueix la base d'un làser o un màser. A f alta d'un mecanisme de retroalimentació, els amplificadors làser i les fonts superluminiscents també funcionen sobre la base de l'emissió estimulada.
Quina és la condició principal per obtenir l'emissió estimulada?
Els electrons i les seves interaccions amb camps electromagnètics són importants per a la nostra comprensió de la química i la física. En la visió clàssica, l'energia d'un electró que gira al voltant d'un nucli atòmic és més gran per a òrbites allunyades del nucli atòmic.
Quan un electró absorbeix energia lluminosa (fotons) o calor (fonons), rep aquest quàntic incident d'energia. Però les transicions només es permeten entre nivells d'energia discrets, com els dos que es mostren a continuació. Això resulta en línies d'emissió i d'absorció.
Aspecte energètic
A continuació, parlarem de la condició principal per obtenir radiació induïda. Quan un electró s'excita d'un nivell d'energia més baix a un més alt, és poc probable que es mantingui així per sempre. Un electró en estat excitat pot decaure a un nivell inferiorestat energètic que no està ocupat, d'acord amb una determinada constant de temps que caracteritza aquesta transició.
Quan aquest electró decau sense influència externa, emetent un fotó, això s'anomena emissió espontània. La fase i la direcció associades amb un fotó emès són aleatòries. Així, un material amb molts àtoms en un estat tan excitat pot donar lloc a una radiació que té un espectre estret (centrat al voltant d'una sola longitud d'ona de llum), però els fotons individuals no tindran relacions de fase comunes i també s'emetran en direccions aleatòries. Aquest és el mecanisme de la fluorescència i la generació de calor.
El camp electromagnètic extern a la freqüència associada a la transició pot afectar l'estat mecànic quàntic de l'àtom sense absorció. Quan un electró d'un àtom fa una transició entre dos estats estacionaris (cap dels quals mostra un camp dipolar), entra en un estat de transició que té un camp dipolar i actua com un petit dipol elèctric que oscil·la a una freqüència característica.
En resposta a un camp elèctric extern a aquesta freqüència, la probabilitat d'una transició d'electrons a aquest estat augmenta significativament. Així, la velocitat de transicions entre dos estats estacionaris supera la magnitud de l'emissió espontània. La transició d'un estat d'energia superior a un estat d'energia inferior crea un fotó addicional amb la mateixa fase i direcció que el fotó incident. Aquest és el procés d'emissió forçada.
Obertura
L'emissió estimulada va ser el descobriment teòric d'Einstein sota l'antiga teoria quàntica, en què la radiació es descriu en termes de fotons, que són quants del camp electromagnètic. Aquesta radiació també es pot produir en models clàssics sense fer referència als fotons o la mecànica quàntica.
L'emissió estimulada es pot modelar matemàticament donat un àtom que pot estar en un dels dos estats d'energia electrònica, un estat de nivell inferior (possiblement un estat fonamental) i un estat excitat, amb les energies E1 i E2 respectivament.
Si un àtom es troba en un estat excitat, pot decaure a un estat inferior mitjançant un procés d'emissió espontània, alliberant la diferència d'energia entre els dos estats com a fotó.
Com a alternativa, si un àtom en estat excitat és pertorbat per un camp elèctric de freqüència ν0, pot emetre un fotó addicional de la mateixa freqüència i en fase, augmentant així el camp extern, deixant l'àtom en un estat d'energia inferior.. Aquest procés es coneix com a emissió estimulada.
Proporcionalitat
La constant de proporcionalitat B21 utilitzada en les equacions per determinar l'emissió espontània i induïda es coneix com a coeficient d'Einstein B per a aquesta transició en particular, i ρ(ν) és la densitat de radiació del camp incident a la freqüència ν. Així, la taxa d'emissió és proporcional al nombre d'àtoms en estat excitat N2 i la densitat de fotons incidents. Aquesta és l'essènciafenòmens d'emissió estimulada.
Al mateix temps, tindrà lloc el procés d'absorció atòmica, que elimina energia del camp, augmentant electrons de l'estat inferior a l'estat superior. La seva velocitat està determinada per una equació essencialment idèntica.
Així, la potència neta s'allibera en un camp elèctric igual a l'energia d'un fotó h per aquesta velocitat de transició neta. Perquè aquest sigui un nombre positiu, que indiqui l'emissió total espontània i induïda, cal que hi hagi més àtoms en estat excitat que en el nivell inferior.
Diferències
Les propietats de l'emissió estimulada en comparació amb les fonts de llum convencionals (que depenen de l'emissió espontània) és que els fotons emesos tenen la mateixa freqüència, fase, polarització i direcció de propagació que els fotons incidents. Així, els fotons implicats són mútuament coherents. Per tant, durant la inversió, es produeix l'amplificació òptica de la radiació incident.
Canvi d'energia
Tot i que l'energia generada per l'emissió estimulada és sempre a la freqüència exacta del camp que l'ha estimulat, la descripció anterior del càlcul de velocitat només s'aplica a l'excitació a una freqüència òptica específica, la força de l'estimulació (o espontània) l'emissió disminuirà segons l'anomenada forma de línia. Tenint en compte només l'ampliació uniforme que afecta la ressonància atòmica o molecular, la funció de forma de línia espectral es descriu com una distribució de Lorentz.
Així, l'emissió estimulada es redueix amb aixòcoeficient. A la pràctica, també es pot produir un eixamplament de la forma de línia a causa d'un eixamplament no homogeni, principalment a causa de l'efecte Doppler resultant de la distribució de velocitats en el gas a una determinada temperatura. Això té una forma gaussiana i redueix la força màxima de la funció de forma de línia. En un problema pràctic, la funció de forma de línia completa es pot calcular combinant les funcions de forma de línia individuals implicades.
L'emissió estimulada pot proporcionar un mecanisme físic per a l'amplificació òptica. Si una font externa d'energia estimula més del 50% dels àtoms de l'estat fonamental per passar a un estat excitat, es crea el que s'anomena inversió de població.
Quan la llum de la freqüència adequada travessa un medi invertit, els fotons són absorbits pels àtoms que romanen en l'estat fonamental o estimulen els àtoms excitats perquè emetin fotons addicionals de la mateixa freqüència, fase i direcció. Com que hi ha més àtoms en estat excitat que en estat fonamental, el resultat és un augment de la intensitat d'entrada.
Absorció de radiació
En física, l'absorció de radiació electromagnètica és la forma en què l'energia d'un fotó és absorbida per la matèria, normalment els electrons d'un àtom. Així, l'energia electromagnètica es converteix en l'energia interna de l'absorbidor, com ara la calor. La disminució de la intensitat d'una ona de llum que es propaga en un medi a causa de l'absorció d'alguns dels seus fotons sovint s'anomena atenuació.
Normalment absorció d'onesno depèn de la seva intensitat (absorció lineal), encara que en determinades condicions (normalment en òptica) el medi canvia de transparència en funció de la intensitat de les ones transmeses i de l'absorció saturable.
Hi ha diverses maneres de quantificar amb quina rapidesa i eficàcia s'absorbeix la radiació en un entorn determinat, com ara el coeficient d'absorció i algunes magnituds derivades estretament relacionades.
Factor d'atenuació
Diverses característiques del factor d'atenuació:
- Factor d'atenuació, que de vegades, però no sempre, és sinònim de factor d'absorció.
- La capacitat d'absorció molar s'anomena coeficient d'extinció molar. És l'absorbància dividida per la molaritat.
- El factor d'atenuació de la massa és el factor d'absorció dividit per la densitat.
- Les seccions transversals d'absorció i dispersió estan estretament relacionades amb els coeficients (absorció i atenuació, respectivament).
- L'extinció en astronomia és equivalent al factor d'amortiment.
Constant per a les equacions
Altres mesures d'absorció de radiació són la profunditat de penetració i l'efecte de la pell, la constant de propagació, la constant d'atenuació, la constant de fase i el nombre d'ona complex, l'índex de refracció complex i el coeficient d'extinció, la permitivitat complexa, la resistivitat elèctrica i la conductivitat.
Absorció
Absorció (també anomenada densitat òptica) i òpticala profunditat (també anomenada gruix òptic) són dues mesures interrelacionades.
Totes aquestes magnituds mesuren, almenys fins a cert punt, quant absorbeix radiació un medi. Tanmateix, els professionals de diferents camps i mètodes solen utilitzar valors diferents extrets de la llista anterior.
L'absorció d'un objecte quantifica quanta llum incident és absorbida per aquest (en lloc de reflexió o refracció). Això pot estar relacionat amb altres propietats de l'objecte mitjançant la llei de Beer-Lambert.
Les mesures precises de l'absorbància a moltes longituds d'ona permeten identificar una substància mitjançant l'espectroscòpia d'absorció, on la mostra s'il·lumina des d'un costat. Alguns exemples d'absorció són l'espectroscòpia ultraviolada visible, l'espectroscòpia infraroja i l'espectroscòpia d'absorció de raigs X.
Aplicació
Entendre i mesurar l'absorció de la radiació electromagnètica i induïda té moltes aplicacions.
Quan es distribueix, per exemple, per ràdio, es presenta fora de la línia de visió.
L'emissió estimulada de làsers també és ben coneguda.
En meteorologia i climatologia, les temperatures globals i locals depenen en part de l'absorció de la radiació pels gasos atmosfèrics (per exemple, l'efecte hivernacle), així com de les superfícies terrestres i oceàniques.
En medicina, els raigs X són absorbits en diferents graus per diferents teixits (en particular, l'os), que és la base de la radiografia.
També s'utilitza en química i ciència de materials, com a diferentels materials i les molècules absorbiran la radiació en diferents graus a diferents freqüències, cosa que permet identificar el material.
En òptica, les ulleres de sol, els filtres de color, els tints i altres materials similars estan especialment dissenyats per tenir en compte quines longituds d'ona visibles absorbeixen i en quines proporcions. L'estructura de les ulleres depèn de les condicions en què apareix l'emissió estimulada.
En biologia, els organismes fotosintètics requereixen llum de la longitud d'ona adequada per ser absorbida a la regió activa dels cloroplasts. Això és necessari perquè l'energia lluminosa es pugui convertir en energia química dins dels sucres i altres molècules.
En física se sap que la regió D de la ionosfera terrestre absorbeix significativament els senyals de ràdio que cauen a l'espectre electromagnètic d' alta freqüència i que estan associats a la radiació induïda.
A la física nuclear, l'absorció de radiació nuclear es pot utilitzar per mesurar nivells de líquids, densitometria o mesures de gruix.
Les principals aplicacions de la radiació induïda són els generadors quàntics, els làsers i els dispositius òptics.
