Вынужденное излучение - это процесс, при котором входящий фотон определенной частоты может взаимодействовать с возбужденным атомным электроном (или другим возбужденным молекулярным состоянием), вызывая его падение до более низкого энергетического уровня. Высвобожденная энергия передается электромагнитному полю, создавая новый фотон с фазой, частотой, поляризацией и направлением движения, которые идентичны фотонам падающей волны. И это происходит в отличие от самопроизвольного излучения, которое работает через случайные промежутки времени, без учета окружающего электромагнитного поля.
Условия получения индуцированного излучения
Процесс идентичен по форме атомному поглощению, в котором энергия поглощенного фотона вызывает идентичный, но противоположный атомный переход: от более низкого к более высокому уровню энергии. В нормальных средах в тепловом равновесии поглощение превышает стимулированное излучение, потому что в состояниях с более низкой энергией больше электронов, чем в состояниях с более высокой энергией.
Однако когда присутствует инверсия населенности, скорость стимулированного излучения превышает скорость поглощения и может быть достигнуто чистое оптическое усиление. Такая среда усиления, наряду с оптическим резонатором, лежит в основе лазера или мазера. Не имея механизма обратной связи, лазерные усилители и суперлюминесцентные источники также функционируют на основе вынужденного излучения.
Каково основное условие получения индуцированного излучения?
Электроны и их взаимодействия с электромагнитными полями важны в нашем понимании химии и физики. В классическом представлении энергия электрона, вращающегося вокруг атомного ядра, больше для орбит, удаленных от ядра атома.
Когда электрон поглощает энергию света (фотоны) или тепла (фононы), он получает этот падающий квант энергии. Но переходы разрешены только между дискретными уровнями энергии, такими как два, показанных далее. Это приводит к появлению эмиссионных и абсорбционных линий.
Энергетический аспект
Далее речь пойдет об основном условии получения индуцированного излучения. Когда электрон возбуждается от более низкого до более высокого энергетического уровня, он вряд ли останется таким навсегда. Электрон в возбужденном состоянии может распасться до более низкого энергетического состояния, которое не занято, в соответствии с определенной постоянной времени, характеризующей этот переход.
Когда такой электрон распадается без внешнего воздействия, испуская фотон, это называется спонтанным излучением. Фаза и направление, связанные с испускаемым фотоном, являются случайными. Таким образом, материал со многими атомами в таком возбужденном состоянии может привести к излучению, которое имеет узкий спектр (центрированный вокруг одной длины волны света), но отдельные фотоны не будут иметь общих фазовых отношений и также будут излучаться в случайных направлениях. Это механизм флуоресценции и тепловыделения.
Внешнее электромагнитное поле на частоте, связанной с переходом, может влиять на квантово-механическое состояние атома без поглощения. Когда электрон в атоме совершает переход между двумя стационарными состояниями (ни одно из которых не показывает дипольное поле), он входит в переходное, которое имеет дипольное поле и действует как маленький электрический диполь, который колеблется при характерной частоте.
В ответ на внешнее электрическое поле на этой частоте вероятность перехода электрона в такое состояние значительно возрастает. Таким образом, скорость переходов между двумя стационарными состояниями превышает величину спонтанного излучения. Переход из более высокого в низкое энергетическое состояние создает дополнительный фотон с той же фазой и направлением, что и у падающего фотона. Это и есть процесс вынужденной эмиссии.
Открытие
Вынужденное излучение было теоретическим открытием Эйнштейна в рамках старой квантовой теории, в которой излучение описывается в терминах фотонов, которые являются квантами электромагнитного поля. Такое излучение также может происходить в классических моделях без привязки к фотонам или квантовой механике.
Вынужденное излучение может быть смоделировано математически с учетом атома, который может находиться в одном из двух электронных энергетических состояний, состояния более низкого уровня (возможно, основного состояния) и возбужденного состояния, с энергиями E1 и E2 соответственно.
Если атом находится в возбужденном состоянии, он может распадаться в нижнее состояние в результате процесса самопроизвольного излучения, высвобождая разность энергий между двумя состояниями в виде фотона.
Альтернативно, если атом возбужденного состояния возмущен электрическим полем с частотой ν0, он может испускать дополнительный фотон той же частоты и в фазе, увеличивая тем самым внешнее поле, оставляя атом в состоянии с более низкой энергией. Этот процесс известен как стимулированное излучение.
Пропорциональность
Константа пропорциональности B21, использующаяся в уравнениях по определению спонтанного и индуцированного излучения, известна как коэффициент Эйнштейна B для этого конкретного перехода, а ρ (ν) - плотность излучения падающего поля на частоте ν. Таким образом, скорость излучения пропорциональна числу атомов в возбужденном состоянии N2 и плотности падающих фотонов. Такова сущность явления индуцированного излучения.
В то же время будет происходить процесс атомного поглощения, который удаляет энергию из поля, поднимая электроны из нижнего состояния в верхнее. Его скорость определяется по существу идентичным уравнением.
Таким образом, чистая мощность выделяется в электрическое поле, равное энергии фотона, в h раз превышающей эту чистую скорость перехода. Чтобы это было положительное число, указывающее на суммарное спонтанное и индуцированное излучение, в возбужденном состоянии должно быть больше атомов, чем на нижнем уровне.
Различия
Свойства индуцированного излучения по сравнению с обычными источниками света (которые зависят от спонтанного излучения) состоит в том, что испускаемые фотоны имеют ту же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения, что и падающие фотоны. Таким образом, вовлеченные фотоны взаимно когерентны. Поэтому при инверсии происходит оптическое усиление падающего излучения.
Изменение энергии
Хотя энергия, генерируемая стимулированным излучением, всегда находится на точной частоте поля, которое ее стимулировало, приведенное выше описание вычисления скорости относится только к возбуждению на конкретной оптической частоте, сила стимулированного (или спонтанного) излучения будет уменьшаться в соответствии с так называемой формой линии. Учитывая только однородное уширение, влияющее на атомный или молекулярный резонанс, функция формы спектральной линии описывается как распределение Лоренца.
Таким образом, стимулированное излучение уменьшается на этот коэффициент. На практике также может иметь место расширение формы линии из-за неоднородного уширения, прежде всего из-за эффекта Доплера, возникающего в результате распределения скоростей в газе при определенной температуре. Это имеет гауссову форму и уменьшает пиковую силу функции формы линии. В практической задаче полная функция формы линии может быть вычислена посредством свертки отдельных задействованных функций формы линии.
Индуцированное излучение может обеспечить физический механизм для оптического усиления. Если внешний источник энергии стимулирует более 50 % атомов в основном состоянии к переходу в возбужденное состояние, то создается то, что называется инверсией населенности.
Когда свет соответствующей частоты проходит через инвертированную среду, фотоны либо поглощаются атомами, которые остаются в основном состоянии, либо стимулируют возбужденные атомы испускать дополнительные фотоны той же частоты, фазы и направления. Поскольку в возбужденном состоянии находится больше атомов, чем в основном состоянии, в результате происходит усиление входной интенсивности.
Поглощение излучения
В физике поглощение электромагнитного излучения - это способ, которым энергия фотона поглощается веществом, обычно электронами атома. Таким образом, электромагнитная энергия преобразуется во внутреннюю энергию поглотителя, например тепловую. Уменьшение интенсивности световой волны, распространяющейся в среде за счет поглощения части ее фотонов, часто называют ослаблением.
Обычно поглощение волн не зависит от их интенсивности (линейное поглощение), хотя в определенных условиях (обычно в оптике) среда меняет прозрачность в зависимости от интенсивности проходящих волн и насыщаемого поглощения.
Существует несколько способов количественно определить, насколько быстро и эффективно поглощается излучение в определенной среде, например, коэффициент поглощения и некоторые тесно связанные производные величины.
Коэффициент ослабления
Несколько особенностей коэффициента ослабления:
- Коэффициент ослабления, который иногда, но не всегда, синонимичен с коэффициентом поглощения.
- Молярная абсорбционная способность называется молярным коэффициентом экстинкции. Она представляет собой коэффициент поглощения, деленный на молярность.
- Коэффициент ослабления массы представляет собой коэффициент поглощения, деленный на плотность.
- Сечение поглощения и рассеяния тесно связаны с коэффициентами (поглощения и затухания соответственно).
- Вымирание в астрономии эквивалентно коэффициенту затухания.
Постоянные для уравнений
Другими мерами поглощения излучения являются глубина проникновения и скин-эффект, постоянная распространения, постоянная затухания, фазовая постоянная и комплексное волновое число, комплексный показатель преломления и коэффициент экстинкции, комплексная диэлектрическая проницаемость, удельное электрическое сопротивление и проводимость.
Абсорбция
Абсорбция (также называемая оптическая плотность) и оптическая глубина (также называемая оптическая толщина) являются двумя взаимосвязанными показателями.
Все эти величины измеряют, по крайней мере до некоторой степени, насколько среда поглощает излучение. Тем не менее, практики различных областей и методов обычно используют разные величины, взятые из списка выше.
Абсорбция объекта количественно определяет, сколько падающего света поглощается им (вместо отражения или преломления). Это может быть связано с другими свойствами объекта через закон Бера–Ламберта.
Точные измерения поглощения на многих длинах волн позволяют идентифицировать вещество с помощью абсорбционной спектроскопии, где образец освещается с одной стороны. Несколько примеров поглощения - ультрафиолетово-видимая спектроскопия, инфракрасная спектроскопия и рентгеновская абсорбционная спектроскопия.
Применение
Понимание и измерение поглощения электромагнитного и индуцированного излучения имеет множество применений.
При распространении, например, по радио он представлен вне прямой видимости.
Индуцированное излучение лазеров также общеизвестно.
В метеорологии и климатологии глобальные и локальные температуры частично зависят от поглощения излучения атмосферными газами (например, парниковым эффектом), а также поверхностью суши и океана.
В медицине рентгеновские лучи в разной степени поглощаются разными тканями (в частности, костью), что является основой для рентгенографии.
В химии и материаловедении также используется, так как разные материалы и молекулы будут поглощать излучение в разной степени на разных частотах, что позволяет идентифицировать материал.
В оптике солнцезащитные очки, цветные фильтры, красители и другие подобные материалы специально разработаны с учетом того, какие видимые длины волн они поглощают и в каких пропорциях. Строение очков зависит от того, при каких условиях индуцированное излучение появляется.
В биологии фотосинтезирующие организмы требуют, чтобы свет соответствующей длины волны поглощался в активной области хлоропластов. Это нужно, чтобы энергия света могла быть преобразована в химическую энергию внутри сахаров и других молекул.
В физике известно, что D-область ионосферы Земли значительно поглощает радиосигналы, которые попадают в высокочастотный электромагнитный спектр и связаны с индуцированным излучением.
В ядерной физике поглощение ядерных излучений может быть использовано для измерения уровней жидкости, денситометрии или измерений толщины.
Главные области применения индуцированного излучения - квантовые генераторы, лазеры, оптические приборы.
