Вимушене випромінювання – це процес, при якому вхідний фотон певної частоти може взаємодіяти з порушеною атомним електроном (або іншими порушеними молекулярним станом), викликаючи його падіння до найнижчого енергетичного рівня. Вивільнена енергія передається електромагнітному полю, створюючи новий фотон з фазою, частотою, поляризацією і напрямком руху, які ідентичні фотонам падаючої хвилі. І це відбувається на відміну від мимовільного випромінювання, яке працює через випадкові проміжки часу, без урахування навколишнього електромагнітного поля.
Умови отримання індукованого випромінювання
Процес ідентичний за формою атомного поглинання, в якому енергія поглиненого фотона викликає ідентичний, але протилежний атомний перехід: від більш низького до більш високого рівня енергії. В нормальних середовищах в тепловому рівновазі поглинання перевищує стимулированное випромінювання, тому що в станах з більш низькою енергією більше електронів, ніж у станах з більш високою енергією.
Проте коли є інверсія населеності, швидкість стимульованого випромінювання перевищує швидкість поглинання і може бути досягнуто чисте оптичне підсилення. Така середовище підсилення, поряд з оптичним резонатором, лежить в основі лазера або мазера. Не маючи механізму зворотного зв’язку, лазерні підсилювачі та суперлюминесцентные джерела також функціонують на основі вимушеного випромінювання.
Яка основна умова отримання індукованого випромінювання?
Електрони та їх взаємодії з електромагнітними полями важливі в нашому розумінні хімії і фізики. У класичному поданні енергія електрона, що обертається навколо атомного ядра, більше для орбіт, віддалених від ядра атома.
Коли електрон поглинає енергію світла (фотони) або тепла (фонони), він отримує цей падаючий квант енергії. Але переходи можна тільки між дискретними рівнями енергії, такими як два, показаних далі. Це призводить до появи емісійних і абсорбційних ліній.
Енергетичний аспект
Далі мова піде про основний умови отримання індукованого випромінювання. Коли електрон збуджується від більш низького до більш високого енергетичного рівня, він навряд чи залишиться таким назавжди. Електрон в збудженому стані може розпастися до більш низького енергетичного стану, яке не зайнято, у відповідності з певною постійною часу, що характеризує цей перехід.
Коли такий електрон розпадається без зовнішнього впливу, випромінюючи фотон, це називається спонтанним випромінюванням. Фаза і напрямок, пов’язані з испускаемым фотоном, є випадковими. Таким чином, матеріал з багатьма атомами в такому збудженому стані може призвести до випромінювання, яке має вузький спектр (центрований навколо однієї довжини хвилі світла), але окремі фотони не будуть мати спільних фазових відносин і також будуть випромінюватися у випадкових напрямках. Це механізм флуоресценції і тепловиділення.
Зовнішнє електромагнітне поле на частоті, пов’язаної з переходом, може впливати на квантово-механічний стан атома без поглинання. Коли електрон в атомі робить перехід між двома стаціонарними станами (жодна з яких не показує дипольне поле), він входить у перехідний, яке має дипольне поле і діє як маленький електричний диполь, який коливається характерною при частоті.
У відповідь на зовнішнє електричне поле на цій частоті ймовірність переходу електрона в такий стан значно зростає. Таким чином, швидкість переходів між двома стаціонарними станами перевищує величину спонтанного випромінювання. Перехід з більш високого на низький енергетичний стан створює додатковий фотон з тією самою фазою і напрямком, що й у падаючого фотона. Це і є процес вимушеної емісії.
Відкриття
Вимушене випромінювання було теоретичним відкриттям Ейнштейна в рамках старої квантової теорії, в якій випромінювання описується в термінах фотонів, які є квантами електромагнітного поля. Таке випромінювання також може відбуватися в класичних моделях без прив’язки до фотонам або квантової механіки.
Вимушене випромінювання може бути математично змодельовано з урахуванням атома, який може знаходитися в одному з двох електронних енергетичних станів, стану більш низького рівня (можливо, основного стану) і збудженого стану, з енергіями E1 і E2 відповідно.
Якщо атом перебуває у збудженому стані, він може розпадатися в нижню стан в результаті мимовільного процесу випромінювання, вивільняючи різниця енергій між двома станами у вигляді фотона.
Альтернативно, якщо атом збудженого стану обурений електричним полем з частотою ν0, він може випускати додатковий фотон тієї ж частоти і фази, збільшуючи тим самим зовнішнє поле, залишаючи атом у стані з більш низькою енергією. Цей процес відомий як стимулированное випромінювання.
Пропорційність
Константа пропорційності B21, що використовується в рівняннях за визначенням спонтанного й індукованого випромінювання, відома як коефіцієнт Ейнштейна B для цього конкретного переходу, а ρ (ν) – щільність випромінювання падаючого поля на частоті ν. Таким чином, швидкість випромінювання пропорційна числу атомів у збудженому стані N2 і щільності падаючих фотонів. Така сутність явища індукованого випромінювання.
В той же час буде відбуватися процес атомного поглинання, який видаляє енергію з поля, піднімаючи електрони з нижнього стану у верхнє. Його швидкість визначається по суті ідентичним рівнянням.
Таким чином, чистий потужність виділяється в електричне поле, що дорівнює енергії фотона, h разів перевищує цю чисту швидкість переходу. Щоб це було позитивне число, яке вказує на сумарний спонтанне та індуковане випромінювання, у збудженому стані повинно бути більше атомів, ніж на нижньому рівні.
Відмінності
Властивості індукованого випромінювання порівняно зі звичайними джерелами світла (які залежать від спонтанного випромінювання) полягає в тому, що випускаються фотони мають ту ж частоту, фазу, поляризацію і напрям поширення, що і падаючі фотони. Таким чином, залучені фотони взаємно когерентны. Тому при інверсії відбувається оптичне посилення падаючого випромінювання.
Зміна енергії
Хоча енергія, що генерується стимулированным випромінюванням, завжди знаходиться на точною частоті поля, яке стимулювало її, наведене вище обчислення швидкості відноситься тільки до порушення на конкретній оптичної частоті, сила стимульованого (або спонтанного) випромінювання буде зменшуватися відповідно до так званої формою лінії. Враховуючи тільки однорідне уширення, що впливає на атомний або молекулярний резонанс, функція форми спектральної лінії описується як розподіл Лоренца.
Таким чином, стимулированное випромінювання зменшується на цей коефіцієнт. На практиці може мати місце розширення форми лінії з неоднорідного уширення, насамперед з-за ефекту Доплера, виникає в результаті розподілу швидкостей в газі при певній температурі. Це має гауссову форму і зменшує пікову силу функції форми лінії. У практичній задачі повна функція форми лінії може бути обчислена за допомогою згортки окремих задіяних функцій форми лінії.
Індуковане випромінювання може забезпечити фізичний механізм для оптичного підсилення. Якщо зовнішнє джерело енергії стимулює більш 50 % атомів в основному стані до переходу в збуджений стан, то створюється те, що називається інверсією населеності.
Коли світло відповідної частоти проходить через обернену середу, фотони або поглинаються атомами, які залишаються в основному стані, або стимулюють збуджені атоми випускати додаткові фотони тієї ж частоти, фази і напрямки. Оскільки в збудженому стані перебуває більше атомів, ніж у основному стані, у результаті відбувається посилення вхідної інтенсивності.
Поглинання випромінювання
У фізиці поглинання електромагнітного випромінювання – це спосіб, яким енергія фотона поглинається речовиною, зазвичай електронами атома. Таким чином, електромагнітна енергія перетворюється у внутрішню енергію поглинача, наприклад теплову. Зменшення інтенсивності світлової хвилі, що поширюється в середовищі за рахунок поглинання частини її фотонів, часто називають ослабленням.
Зазвичай поглинання хвиль не залежить від їх інтенсивності (лінійне поглинання), хоча в певних умовах (зазвичай в оптиці) середовище змінює прозорість в залежності від інтенсивності проходять хвиль і насыщаемого поглинання.
Існує кілька способів кількісно визначити, наскільки швидко і ефективно поглинається випромінювання в певному середовищі, наприклад, коефіцієнт поглинання і деякі тісно пов’язані похідні величини.
Коефіцієнт ослаблення
Кілька особливостей коефіцієнта ослаблення:
- Коефіцієнт послаблення, який іноді, але не завжди, синонимичен з коефіцієнтом поглинання.
- Молярна абсорбційна здатність називається молярним коефіцієнтом екстинкції. Вона являє собою коефіцієнт поглинання, поділений на молярность.
- Коефіцієнт ослаблення маси являє собою коефіцієнт поглинання, поділений на щільність.
- Перетин поглинання і розсіювання тісно пов’язані з коефіцієнтами (поглинання і загасання відповідно).
- Вимирання в астрономії еквівалентно коефіцієнтом загасання.
Постійні для рівнянь
Іншими заходами поглинання випромінювання є глибина проникнення і скін-ефект, постійна поширення, постійна загасання, фазова постійна і комплексне хвильове число, комплексний показник заломлення і коефіцієнт екстинкції, комплексна діелектрична проникність, питомий електричний опір і провідність.
Абсорбція
Абсорбція (також звана оптична щільність) і оптична глибина (також звана оптична товщина) є двома взаємопов’язаними показниками.
Всі ці величини вимірюють, принаймні до певної міри, наскільки середовище поглинає випромінювання. Тим не менш, практики різних галузей і методів звичайно використовують різні величини, взяті зі списку вище.
Абсорбція об’єкта кількісно визначає, скільки падаючого світла поглинається їм (замість відбиття або заломлення). Це може бути пов’язане з іншими властивостями об’єкта через закон Бера–Ламберта.
Точні вимірювання поглинання на багатьох довжинах хвиль дозволяють ідентифікувати речовину з допомогою абсорбційної спектроскопії, де зразок висвітлюється з одного боку. Кілька прикладів поглинання – ультрафиолетово-видима спектроскопія, іч-спектроскопія та рентгенівська абсорбційна спектроскопія.
Застосування
Розуміння і вимірювання поглинання електромагнітного та індукованого випромінювання має безліч застосувань.
При поширенні, наприклад, по радіо він представлений поза прямої видимості.
Індуковане випромінювання лазерів також загальновідомо.
У метеорології та кліматології глобальні і локальні температури частково залежать від поглинання випромінювання атмосферними газами (наприклад, парниковим ефектом), а також поверхнею суші та океану.
У медицині рентгенівські промені в різній мірі поглинаються тканинами (зокрема, кісткою), що є основою для рентгенографії.
У хімії і матеріалознавства також використовується, так як різні матеріали і молекули будуть поглинати випромінювання в різній мірі на різних частотах, що дозволяє ідентифікувати матеріал.
В області оптики, сонцезахисні окуляри, кольорові фільтри, барвники та інші подібні матеріали спеціально розроблені з урахуванням того, які видимі довжини хвиль вони поглинають і в яких пропорціях. Будова очок залежить від того, за яких умов індуковане випромінювання з’являється.
В біології фотосинтезирующие організми вимагають, щоб світло відповідної довжини хвилі поглинався в активній області хлоропластів. Це потрібно, щоб енергія світла могла бути перетворена в хімічну енергію всередині цукрів та інших молекул.
У фізиці відомо, що D-область іоносфери Землі значно поглинає радіосигнали, які потрапляють у високочастотний електромагнітний спектр і пов’язані з індукованим випромінюванням.
В ядерній фізиці поглинання ядерних випромінювань може бути використано для вимірювання рівнів рідини, денситометрії або вимірювань товщини.
Головні галузі застосування індукованого випромінювання – квантові генератори, лазери, оптичні прилади.
