Stimulierte Emission ist der Prozess, bei dem ein ankommendes Photon einer bestimmten Frequenz mit einem angeregten Atomelektron (oder einem anderen angeregten molekularen Zustand) interagieren kann, wodurch es auf ein niedrigeres Energieniveau abfällt. Die freigesetzte Energie wird auf das elektromagnetische Feld übertragen und erzeugt ein neues Photon mit einer Phase, Frequenz, Polarisation und Bewegungsrichtung, die mit den Photonen der einfallenden Welle identisch sind. Und dies geschieht im Gegensatz zur Spontanstrahlung, die in zufälligen Abständen arbeitet, ohne das umgebende elektromagnetische Feld zu berücksichtigen.
Bedingungen für den Erh alt stimulierter Emission
Der Vorgang ist formal identisch mit der Atomabsorption, bei der die Energie des absorbierten Photons einen identischen, aber entgegengesetzten atomaren Übergang bewirkt: von niedriger zuhöheres Energieniveau. In normalen Umgebungen im thermischen Gleichgewicht übersteigt die Absorption die stimulierte Emission, da mehr Elektronen in niedrigeren Energiezuständen vorhanden sind als in höheren Energiezuständen.
Wenn jedoch eine Besetzungsinversion vorhanden ist, übersteigt die Rate der stimulierten Emission die Absorptionsrate und es kann eine reine optische Verstärkung erreicht werden. Ein solches verstärkendes Medium bildet zusammen mit einem optischen Resonator die Basis eines Lasers oder eines Masers. Ohne Rückkopplungsmechanismus arbeiten auch Laserverstärker und Superlumineszenzquellen auf Basis stimulierter Emission.
Was ist die Hauptbedingung für die stimulierte Emission?
Elektronen und ihre Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Feldern sind wichtig für unser Verständnis von Chemie und Physik. Nach klassischer Auffassung ist die Energie eines um einen Atomkern kreisenden Elektrons für atomkernferne Bahnen größer.
Wenn ein Elektron Lichtenergie (Photonen) oder Wärmeenergie (Phononen) absorbiert, erhält es dieses einfallende Energiequantum. Übergänge sind jedoch nur zwischen diskreten Energieniveaus zulässig, wie z. B. den beiden unten gezeigten. Dadurch entstehen Emissions- und Absorptionslinien.
Energieaspekt
Als nächstes werden wir über die Hauptbedingung für den Erh alt induzierter Strahlung sprechen. Wenn ein Elektron von einem niedrigeren auf ein höheres Energieniveau angeregt wird, ist es unwahrscheinlich, dass dies für immer so bleibt. Ein Elektron in einem angeregten Zustand kann in einen niedrigeren zerfallenEnergiezustand, der nicht besetzt ist, gemäß einer bestimmten Zeitkonstante, die diesen Übergang charakterisiert.
Wenn ein solches Elektron ohne äußere Einwirkung zerfällt und dabei ein Photon aussendet, spricht man von spontaner Emission. Die einem emittierten Photon zugeordnete Phase und Richtung ist zufällig. Daher kann ein Material mit vielen Atomen in einem solchen angeregten Zustand zu einer Strahlung führen, die ein schmales Spektrum hat (zentriert um eine einzige Lichtwellenlänge), aber die einzelnen Photonen haben keine gemeinsamen Phasenbeziehungen und werden auch in zufällige Richtungen emittiert. Dies ist der Mechanismus der Fluoreszenz- und Wärmeerzeugung.
Externes elektromagnetisches Feld bei der mit dem Übergang verbundenen Frequenz kann den quantenmechanischen Zustand des Atoms ohne Absorption beeinflussen. Wenn ein Elektron in einem Atom einen Übergang zwischen zwei stationären Zuständen macht (von denen keiner ein Dipolfeld zeigt), tritt es in einen Übergangszustand ein, der ein Dipolfeld hat und wie ein kleiner elektrischer Dipol wirkt, der mit einer charakteristischen Frequenz schwingt.
Als Reaktion auf ein äußeres elektrisches Feld dieser Frequenz steigt die Wahrscheinlichkeit eines Elektronenübergangs in einen solchen Zustand signifikant an. Somit übersteigt die Übergangsrate zwischen zwei stationären Zuständen die Größenordnung der spontanen Emission. Der Übergang von einem höheren zu einem niedrigeren Energiezustand erzeugt ein zusätzliches Photon mit der gleichen Phase und Richtung wie das einfallende Photon. Dies ist der Prozess der erzwungenen Emission.
Eröffnung
Die stimulierte Emission war Einsteins theoretische Entdeckung im Rahmen der alten Quantentheorie, in der Strahlung durch Photonen beschrieben wird, die Quanten des elektromagnetischen Feldes sind. Solche Strahlung kann auch in klassischen Modellen ohne Bezug zu Photonen oder Quantenmechanik auftreten.
Die stimulierte Emission kann mathematisch modelliert werden, wenn ein Atom gegeben ist, das sich in einem von zwei elektronischen Energiezuständen befinden kann, einem niedrigeren Zustand (möglicherweise einem Grundzustand) und einem angeregten Zustand, mit den Energien E1 bzw. E2.
Wenn sich ein Atom in einem angeregten Zustand befindet, kann es durch spontane Emission in einen niedrigeren Zustand zerfallen, wobei die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen als Photon freigesetzt wird.
Alternativ kann ein Atom im angeregten Zustand, wenn es durch ein elektrisches Feld der Frequenz ν0 gestört wird, ein zusätzliches Photon derselben Frequenz und in Phase emittieren, wodurch das externe Feld erhöht wird und das Atom in einem niedrigeren Energiezustand zurückbleibt. Dieser Vorgang wird als stimulierte Emission bezeichnet.
Verhältnismäßigkeit
Die Proportionalitätskonstante B21, die in den Gleichungen zur Bestimmung der spontanen und induzierten Emission verwendet wird, ist als Einstein-Koeffizient B für diesen bestimmten Übergang bekannt, und ρ(ν) ist die Strahlungsdichte des einfallenden Feldes bei der Frequenz ν. Somit ist die Emissionsrate proportional zur Anzahl der Atome im angeregten Zustand N2 und der Dichte der einfallenden Photonen. Das ist die EssenzPhänomene der stimulierten Emission.
Gleichzeitig findet der Prozess der atomaren Absorption statt, der dem Feld Energie entzieht und Elektronen aus dem unteren Zustand in den oberen hebt. Seine Geschwindigkeit wird durch eine im Wesentlichen identische Gleichung bestimmt.
Daher wird Nettoleistung in ein elektrisches Feld freigesetzt, das der Energie eines Photons h mal dieser Nettoübergangsrate entspricht. Damit dies eine positive Zahl ist, die die gesamte spontane und induzierte Emission angibt, müssen sich im angeregten Zustand mehr Atome befinden als im unteren Zustand.
Unterschiede
Die Eigenschaft der stimulierten Emission im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen (die auf spontaner Emission beruhen) besteht darin, dass die emittierten Photonen die gleiche Frequenz, Phase, Polarisation und Ausbreitungsrichtung wie die einfallenden Photonen haben. Somit sind die beteiligten Photonen untereinander kohärent. Daher kommt es bei der Inversion zu einer optischen Verstärkung der einfallenden Strahlung.
Energiewende
Obwohl die durch stimulierte Emission erzeugte Energie immer genau die Frequenz des Feldes hat, das sie stimuliert hat, gilt die obige Beschreibung der Geschwindigkeitsberechnung nur für die Anregung bei einer bestimmten optischen Frequenz, der Stärke der stimulierten (oder spontanen) Die Emission nimmt gemäß der so genannten Linienform ab. Betrachtet man nur die gleichmäßige Verbreiterung, die die atomare oder molekulare Resonanz beeinflusst, wird die Formfunktion der Spektrallinie als Lorentz-Verteilung beschrieben.
Dadurch wird die stimulierte Emission dadurch reduziertKoeffizient. In der Praxis kann auch eine Linienformverbreiterung aufgrund inhomogener Verbreiterung stattfinden, hauptsächlich aufgrund des Dopplereffekts, der aus der Geschwindigkeitsverteilung im Gas bei einer bestimmten Temperatur resultiert. Diese hat eine Gaußsche Form und verringert die Spitzenstärke der Linienformfunktion. Bei einem praktischen Problem kann die vollständige Linienformfunktion durch F altung der einzelnen beteiligten Linienformfunktionen berechnet werden.
Die stimulierte Emission kann einen physikalischen Mechanismus für die optische Verstärkung bereitstellen. Wenn eine externe Energiequelle mehr als 50 % der Atome im Grundzustand dazu anregt, in einen angeregten Zustand überzugehen, dann entsteht eine sogenannte Besetzungsinversion.
Wenn Licht der entsprechenden Frequenz durch ein invertiertes Medium geht, werden Photonen entweder von Atomen absorbiert, die im Grundzustand verbleiben, oder die angeregten Atome dazu angeregt, zusätzliche Photonen derselben Frequenz, Phase und Richtung zu emittieren. Da sich im angeregten Zustand mehr Atome befinden als im Grundzustand, ergibt sich eine Erhöhung der Eingangsintensität.
Strahlungsabsorption
In der Physik ist die Absorption elektromagnetischer Strahlung die Art und Weise, wie die Energie eines Photons von Materie, normalerweise den Elektronen eines Atoms, absorbiert wird. Somit wird die elektromagnetische Energie in die innere Energie des Absorbers, beispielsweise Wärme, umgewandelt. Die Abnahme der Intensität einer sich in einem Medium ausbreitenden Lichtwelle aufgrund der Absorption einiger ihrer Photonen wird oft als Dämpfung bezeichnet.
Normalerweise Wellenabsorptionhängt nicht von ihrer Intensität ab (lineare Absorption), obwohl das Medium unter bestimmten Bedingungen (normalerweise in der Optik) die Transparenz in Abhängigkeit von der Intensität der übertragenen Wellen und der sättigbaren Absorption ändert.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, zu quantifizieren, wie schnell und effizient Strahlung in einer bestimmten Umgebung absorbiert wird, z. B. den Absorptionskoeffizienten und einige eng verwandte abgeleitete Größen.
Dämpfungsfaktor
Mehrere Dämpfungsfaktorfunktionen:
- Dämpfungsfaktor, der manchmal, aber nicht immer, gleichbedeutend mit Absorptionsfaktor ist.
- Die molare Absorptionskapazität wird als molarer Extinktionskoeffizient bezeichnet. Es ist die Extinktion dividiert durch die Molarität.
- Der Massenschwächungsfaktor ist der Absorptionsfaktor dividiert durch die Dichte.
- Die Absorptions- und Streuquerschnitte hängen eng mit den Koeffizienten (Absorption bzw. Dämpfung) zusammen.
- Extinction in der Astronomie entspricht dem Dämpfungsfaktor.
Konstante für Gleichungen
Andere Maße für die Strahlungsabsorption sind Eindringtiefe und Skin-Effekt, Ausbreitungskonstante, Dämpfungskonstante, Phasenkonstante und komplexe Wellenzahl, komplexer Brechungsindex und Extinktionskoeffizient, komplexe Dielektrizitätskonstante, spezifischer elektrischer Widerstand und Leitfähigkeit.
Absorption
Absorption (auch optische Dichte genannt) und optischTiefe (auch optische Dicke genannt) sind zwei miteinander verbundene Maße.
Alle diese Größen messen zumindest teilweise, wie stark ein Medium Strahlung absorbiert. Praktiker unterschiedlicher Fachrichtungen und Methoden verwenden jedoch in der Regel unterschiedliche Werte aus der obigen Liste.
Die Absorption eines Objekts gibt an, wie viel einfallendes Licht von ihm absorbiert wird (anstelle von Reflexion oder Brechung). Dies kann durch das Beer-Lambert-Gesetz mit anderen Eigenschaften des Objekts zusammenhängen.
Präzise Absorptionsmessungen bei vielen Wellenlängen ermöglichen die Identifizierung einer Substanz mittels Absorptionsspektroskopie, bei der die Probe von einer Seite beleuchtet wird. Einige Beispiele für Absorption sind Ultraviolett-Vis-Spektroskopie, Infrarotspektroskopie und Röntgenabsorptionsspektroskopie.
Bewerbung
Das Verständnis und die Messung der Absorption von elektromagnetischer und induzierter Strahlung hat viele Anwendungen.
Bei der Verbreitung, zum Beispiel per Funk, wird es außer Sichtweite präsentiert.
Die stimulierte Emission von Lasern ist ebenfalls bekannt.
In der Meteorologie und Klimatologie hängen globale und lokale Temperaturen teilweise von der Strahlungsabsorption durch atmosphärische Gase (z. B. Treibhauseffekt) sowie Land- und Meeresoberflächen ab.
In der Medizin werden Röntgenstrahlen in unterschiedlichem Maße von verschiedenen Geweben (insbesondere Knochen) absorbiert, was die Grundlage für die Radiographie darstellt.
Wird auch in Chemie und Materialwissenschaften verwendet, da andersMaterialien und Moleküle absorbieren Strahlung bei unterschiedlichen Frequenzen in unterschiedlichem Maße, wodurch das Material identifiziert werden kann.
In der Optik werden Sonnenbrillen, Farbfilter, Farbstoffe und andere ähnliche Materialien speziell entwickelt, um zu berücksichtigen, welche sichtbaren Wellenlängen sie in welchen Anteilen absorbieren. Die Struktur von Gläsern hängt von den Bedingungen ab, unter denen stimulierte Emission auftritt.
In der Biologie benötigen photosynthetische Organismen Licht der geeigneten Wellenlänge, um in der aktiven Region von Chloroplasten absorbiert zu werden. Dies ist notwendig, damit Lichtenergie in Zuckern und anderen Molekülen in chemische Energie umgewandelt werden kann.
In der Physik ist bekannt, dass die D-Region der Ionosphäre der Erde Funksignale stark absorbiert, die in das hochfrequente elektromagnetische Spektrum fallen und mit induzierter Strahlung verbunden sind.
In der Kernphysik kann die Absorption nuklearer Strahlung zur Messung von Flüssigkeitsständen, Densitometrie oder Dickenmessungen verwendet werden.
Die Hauptanwendungen der induzierten Strahlung sind Quantengeneratoren, Laser und optische Geräte.
