Gestimuleerde emissie is het proces waarbij een binnenkomend foton van een bepaalde frequentie kan interageren met een aangeslagen atomair elektron (of een andere aangeslagen moleculaire toestand), waardoor het naar een lager energieniveau da alt. De vrijgekomen energie wordt overgebracht naar het elektromagnetische veld, waardoor een nieuw foton ontstaat met een fase, frequentie, polarisatie en bewegingsrichting die identiek zijn aan de fotonen van de invallende golf. En dit in tegenstelling tot spontane straling, die met willekeurige tussenpozen werkt, zonder rekening te houden met het omringende elektromagnetische veld.
Voorwaarden voor het verkrijgen van gestimuleerde emissie
Het proces is qua vorm identiek aan atomaire absorptie, waarbij de energie van het geabsorbeerde foton een identieke maar tegengestelde atomaire overgang veroorzaakt: van lager naarhoger energieniveau. In normale omgevingen in thermisch evenwicht overschrijdt de absorptie de gestimuleerde emissie omdat er meer elektronen zijn in lagere energietoestanden dan in hogere energietoestanden.
Wanneer echter populatie-inversie aanwezig is, overschrijdt de snelheid van gestimuleerde emissie de absorptiesnelheid en kan pure optische versterking worden bereikt. Zo'n versterkend medium vormt samen met een optische resonator de basis van een laser of een maser. Bij gebrek aan een feedbackmechanisme werken laserversterkers en superluminescente bronnen ook op basis van gestimuleerde emissie.
Wat is de belangrijkste voorwaarde voor het verkrijgen van gestimuleerde emissie?
Elektronen en hun interacties met elektromagnetische velden zijn belangrijk voor ons begrip van scheikunde en natuurkunde. In de klassieke opvatting is de energie van een elektron dat rond een atoomkern draait groter voor banen ver van de atoomkern.
Als een elektron lichtenergie (fotonen) of warmte-energie (fononen) absorbeert, ontvangt het deze invallende hoeveelheid energie. Maar overgangen zijn alleen toegestaan tussen discrete energieniveaus, zoals de twee hieronder getoond. Dit resulteert in emissie- en absorptielijnen.
Energie-aspect
Vervolgens zullen we het hebben over de belangrijkste voorwaarde voor het verkrijgen van geïnduceerde straling. Wanneer een elektron van een lager naar een hoger energieniveau wordt geëxciteerd, is het onwaarschijnlijk dat dit voor altijd zo zal blijven. Een elektron in een aangeslagen toestand kan vervallen naar een lagereenergietoestand die niet bezet is, in overeenstemming met een bepaalde tijdconstante die deze overgang kenmerkt.
Als zo'n elektron verv alt zonder invloed van buitenaf, waarbij een foton wordt uitgezonden, wordt dit spontane emissie genoemd. De fase en richting van een uitgezonden foton is willekeurig. Zo kan een materiaal met veel atomen in zo'n aangeslagen toestand resulteren in straling met een smal spectrum (gecentreerd rond een enkele golflengte van licht), maar de individuele fotonen zullen geen gemeenschappelijke faserelaties hebben en zullen ook in willekeurige richtingen worden uitgezonden. Dit is het mechanisme van fluorescentie en warmteontwikkeling.
Extern elektromagnetisch veld met de frequentie die bij de overgang hoort, kan de kwantummechanische toestand van het atoom beïnvloeden zonder absorptie. Wanneer een elektron in een atoom een overgang maakt tussen twee stationaire toestanden (die geen van beide een dipoolveld vertonen), komt het in een overgangstoestand met een dipoolveld en gedraagt het zich als een kleine elektrische dipool die oscilleert met een karakteristieke frequentie.
Als reactie op een extern elektrisch veld met deze frequentie, neemt de kans op een elektronenovergang naar een dergelijke toestand aanzienlijk toe. Dus de snelheid van overgangen tussen twee stationaire toestanden overschrijdt de grootte van spontane emissie. De overgang van een hogere naar een lagere energietoestand creëert een extra foton met dezelfde fase en richting als het invallende foton. Dit is het proces van gedwongen emissie.
Opening
Gestimuleerde emissie was Einsteins theoretische ontdekking onder de oude kwantumtheorie, waarin straling wordt beschreven in termen van fotonen, die kwanta zijn van het elektromagnetische veld. Dergelijke straling kan ook voorkomen in klassieke modellen zonder verwijzing naar fotonen of kwantummechanica.
Gestimuleerde emissie kan wiskundig worden gemodelleerd op basis van een atoom dat zich in een van twee elektronische energietoestanden kan bevinden, een toestand op een lager niveau (mogelijk een grondtoestand) en een aangeslagen toestand, met respectievelijk energieën E1 en E2.
Als een atoom zich in een aangeslagen toestand bevindt, kan het in een lagere toestand vervallen door een proces van spontane emissie, waarbij het energieverschil tussen de twee toestanden als een foton vrijkomt.
Als alternatief, als een atoom in aangeslagen toestand wordt verstoord door een elektrisch veld met frequentie ν0, kan het een extra foton met dezelfde frequentie en in fase uitzenden, waardoor het externe veld toeneemt, waardoor het atoom in een lagere energietoestand blijft. Dit proces staat bekend als gestimuleerde emissie.
Proportionaliteit
De evenredigheidsconstante B21 die wordt gebruikt in de vergelijkingen voor het bepalen van spontane en geïnduceerde emissie staat bekend als de Einstein-coëfficiënt B voor die bepaalde overgang, en ρ(ν) is de stralingsdichtheid van het invallende veld bij frequentie ν. De emissiesnelheid is dus evenredig met het aantal atomen in de aangeslagen toestand N2 en de dichtheid van invallende fotonen. Dat is de essentieverschijnselen van gestimuleerde emissie.
Tegelijkertijd zal het proces van atomaire absorptie plaatsvinden, waardoor energie uit het veld wordt verwijderd, waardoor elektronen van de onderste naar de bovenste worden verhoogd. De snelheid wordt bepaald door een in wezen identieke vergelijking.
Zo komt er netto vermogen vrij in een elektrisch veld gelijk aan de energie van een foton h maal deze netto overgangssnelheid. Om dit een positief getal te laten zijn, dat de totale spontane en geïnduceerde emissie aangeeft, moeten er meer atomen in de aangeslagen toestand zijn dan in het lagere niveau.
Verschillen
De eigenschappen van gestimuleerde emissie vergeleken met conventionele lichtbronnen (die afhankelijk zijn van spontane emissie) is dat de uitgezonden fotonen dezelfde frequentie, fase, polarisatie en voortplantingsrichting hebben als de invallende fotonen. De betrokken fotonen zijn dus onderling coherent. Daarom treedt tijdens inversie optische versterking van de invallende straling op.
Energieverandering
Hoewel de energie die wordt gegenereerd door gestimuleerde emissie altijd exact overeenkomt met de frequentie van het veld dat deze heeft gestimuleerd, is de bovenstaande beschrijving van de snelheidsberekening alleen van toepassing op excitatie bij een specifieke optische frequentie, de sterkte van gestimuleerde (of spontane) emissie zal afnemen volgens de zogenaamde lijnvorm. Gezien alleen uniforme verbreding die atomaire of moleculaire resonantie beïnvloedt, wordt de functie van de spectraallijnvorm beschreven als een Lorentz-verdeling.
Zo wordt de gestimuleerde emissie hierdoor verminderdcoëfficiënt. In de praktijk kan ook lijnvormverbreding door inhomogene verbreding plaatsvinden, voornamelijk door het Doppler-effect als gevolg van de verdeling van snelheden in het gas bij een bepaalde temperatuur. Dit heeft een Gauss-vorm en vermindert de pieksterkte van de lijnvormfunctie. In een praktisch probleem kan de volledige lijnvormfunctie worden berekend door de afzonderlijke betrokken lijnvormfuncties samen te voegen.
Gestimuleerde emissie kan een fysiek mechanisme bieden voor optische versterking. Als een externe energiebron meer dan 50% van de atomen in de grondtoestand stimuleert om over te gaan naar een aangeslagen toestand, ontstaat er een zogenaamde populatie-inversie.
Als licht met de juiste frequentie door een omgekeerd medium gaat, worden fotonen ofwel geabsorbeerd door atomen die in de grondtoestand blijven of stimuleren ze de aangeslagen atomen om extra fotonen met dezelfde frequentie, fase en richting uit te zenden. Aangezien er meer atomen zijn in de aangeslagen toestand dan in de grondtoestand, is het resultaat een toename van de invoerintensiteit.
Stralingsabsorptie
In de natuurkunde is de absorptie van elektromagnetische straling de manier waarop de energie van een foton wordt geabsorbeerd door materie, meestal de elektronen van een atoom. Zo wordt de elektromagnetische energie omgezet in de interne energie van de absorber, zoals warmte. De afname van de intensiteit van een lichtgolf die zich in een medium voortplant als gevolg van de absorptie van enkele van zijn fotonen wordt vaak verzwakking genoemd.
Normaal golfabsorptiehangt niet af van hun intensiteit (lineaire absorptie), hoewel onder bepaalde omstandigheden (meestal in optica) het medium van transparantie verandert afhankelijk van de intensiteit van uitgezonden golven en verzadigbare absorptie.
Er zijn verschillende manieren om te kwantificeren hoe snel en efficiënt straling wordt geabsorbeerd in een bepaalde omgeving, zoals de absorptiecoëfficiënt en enkele nauw verwante afgeleide grootheden.
Verzwakkingsfactor
Verschillende kenmerken van de dempingsfactor:
- Verzwakkingsfactor, die soms, maar niet altijd, synoniem is met absorptiefactor.
- Molair absorptievermogen wordt de molaire extinctiecoëfficiënt genoemd. Het is de absorptie gedeeld door de molariteit.
- De massaverzwakkingsfactor is de absorptiefactor gedeeld door de dichtheid.
- De absorptie- en verstrooiingsdoorsneden hangen nauw samen met de coëfficiënten (respectievelijk absorptie en verzwakking).
- Uitsterven in de astronomie is gelijk aan de dempingsfactor.
Constante voor vergelijkingen
Andere metingen van stralingsabsorptie zijn penetratiediepte en huideffect, voortplantingsconstante, verzwakkingsconstante, faseconstante en complex golfgetal, complexe brekingsindex en uitdovingscoëfficiënt, complexe permittiviteit, elektrische weerstand en geleidbaarheid.
Absorptie
Absorptie (ook wel optische dichtheid genoemd) en optischdiepte (ook wel optische dikte genoemd) zijn twee onderling gerelateerde maten.
Al deze grootheden meten, althans tot op zekere hoogte, hoeveel een medium straling absorbeert. Beoefenaars van verschillende velden en methoden gebruiken echter meestal verschillende waarden uit de bovenstaande lijst.
De absorptie van een object kwantificeert hoeveel invallend licht er door wordt geabsorbeerd (in plaats van reflectie of breking). Dit kan verband houden met andere eigenschappen van het object via de wet van Beer-Lambert.
Nauwkeurige metingen van de absorptie bij veel golflengten maken het mogelijk om een stof te identificeren met behulp van absorptiespectroscopie, waarbij het monster vanaf één kant wordt belicht. Enkele voorbeelden van absorptie zijn ultraviolet-zichtbare spectroscopie, infraroodspectroscopie en röntgenabsorptiespectroscopie.
Toepassing
Het begrijpen en meten van de absorptie van elektromagnetische en geïnduceerde straling heeft vele toepassingen.
Bij verspreiding, bijvoorbeeld via de radio, wordt het buiten het zicht gepresenteerd.
De gestimuleerde emissie van lasers is ook bekend.
In de meteorologie en klimatologie hangen de mondiale en lokale temperaturen gedeeltelijk af van de absorptie van straling door atmosferische gassen (bijvoorbeeld het broeikaseffect), evenals land- en oceaanoppervlakken.
In de geneeskunde worden röntgenstralen in verschillende mate geabsorbeerd door verschillende weefsels (met name bot), wat de basis vormt voor radiografie.
Ook gebruikt in scheikunde en materiaalkunde, als verschillendmaterialen en moleculen absorberen straling in verschillende mate bij verschillende frequenties, waardoor het materiaal kan worden geïdentificeerd.
In optica zijn zonnebrillen, kleurfilters, kleurstoffen en andere soortgelijke materialen speciaal ontworpen om rekening te houden met welke zichtbare golflengten ze absorberen en in welke verhoudingen. De structuur van glazen hangt af van de omstandigheden waaronder gestimuleerde emissie optreedt.
In de biologie hebben fotosynthetische organismen licht van de juiste golflengte nodig om te worden geabsorbeerd in het actieve gebied van chloroplasten. Dit is nodig zodat lichtenergie kan worden omgezet in chemische energie in suikers en andere moleculen.
Het is in de natuurkunde bekend dat het D-gebied van de ionosfeer van de aarde in aanzienlijke mate radiosignalen absorbeert die in het hoogfrequente elektromagnetische spectrum vallen en worden geassocieerd met geïnduceerde straling.
In de kernfysica kan de absorptie van nucleaire straling worden gebruikt om vloeistofniveaus, densitometrie of diktemetingen te meten.
De belangrijkste toepassingen van geïnduceerde straling zijn kwantumgeneratoren, lasers, optische apparaten.
