Pancaran terstimulasi ialah proses di mana foton masuk dengan frekuensi tertentu boleh berinteraksi dengan elektron atom teruja (atau keadaan molekul teruja lain), menyebabkannya jatuh ke tahap tenaga yang lebih rendah. Tenaga yang dibebaskan dipindahkan ke medan elektromagnet, mencipta foton baharu dengan fasa, kekerapan, polarisasi dan arah gerakan yang sama dengan foton gelombang kejadian. Dan ini berlaku berbeza dengan sinaran spontan, yang berfungsi pada selang masa rawak, tanpa mengambil kira medan elektromagnet di sekeliling.
Syarat untuk mendapatkan pelepasan rangsangan
Prosesnya adalah sama dalam bentuk penyerapan atom, di mana tenaga foton yang diserap menyebabkan peralihan atom yang sama tetapi bertentangan: dari bawah ketahap tenaga yang lebih tinggi. Dalam persekitaran biasa dalam keseimbangan terma, penyerapan melebihi pelepasan yang dirangsang kerana terdapat lebih banyak elektron dalam keadaan tenaga yang lebih rendah daripada dalam keadaan tenaga yang lebih tinggi.
Walau bagaimanapun, apabila penyongsangan populasi wujud, kadar pelepasan rangsangan melebihi kadar penyerapan dan penguatan optik tulen boleh dicapai. Medium penguat sedemikian, bersama-sama dengan resonator optik, membentuk asas laser atau maser. Tanpa mekanisme maklum balas, penguat laser dan sumber bercahaya super juga beroperasi berdasarkan pelepasan yang dirangsang.
Apakah syarat utama untuk mendapatkan pelepasan rangsangan?
Elektron dan interaksinya dengan medan elektromagnet adalah penting dalam pemahaman kita tentang kimia dan fizik. Pada pandangan klasik, tenaga elektron yang beredar mengelilingi nukleus atom adalah lebih besar untuk orbit yang jauh dari nukleus atom.
Apabila elektron menyerap tenaga cahaya (foton) atau tenaga haba (fonon), ia menerima kuantum tenaga kejadian ini. Tetapi peralihan hanya dibenarkan antara tahap tenaga diskret, seperti dua yang ditunjukkan di bawah. Ini menghasilkan garis pancaran dan penyerapan.
Aspek tenaga
Seterusnya, kita akan bercakap tentang syarat utama untuk mendapatkan sinaran teraruh. Apabila elektron teruja dari tahap tenaga yang lebih rendah ke tahap tenaga yang lebih tinggi, ia tidak mungkin kekal seperti itu selama-lamanya. Elektron dalam keadaan teruja boleh mereput ke bawahkeadaan tenaga yang tidak diduduki, mengikut pemalar masa tertentu yang mencirikan peralihan ini.
Apabila elektron seperti itu mereput tanpa pengaruh luar, memancarkan foton, ini dipanggil pelepasan spontan. Fasa dan arah yang berkaitan dengan foton yang dipancarkan adalah rawak. Oleh itu, bahan dengan banyak atom dalam keadaan teruja sedemikian mungkin menghasilkan sinaran yang mempunyai spektrum sempit (berpusat di sekitar satu panjang gelombang cahaya), tetapi foton individu tidak akan mempunyai hubungan fasa sepunya dan juga akan dipancarkan dalam arah rawak. Ini ialah mekanisme pendarfluor dan penjanaan haba.
Medan elektromagnet luaran pada frekuensi yang dikaitkan dengan peralihan boleh menjejaskan keadaan mekanik kuantum atom tanpa penyerapan. Apabila elektron dalam atom membuat peralihan antara dua keadaan pegun (kedua-duanya tidak menunjukkan medan dipol), ia memasuki keadaan peralihan yang mempunyai medan dipol dan bertindak seperti dipol elektrik kecil yang berayun pada frekuensi ciri.
Sebagai tindak balas kepada medan elektrik luaran pada frekuensi ini, kebarangkalian peralihan elektron kepada keadaan sedemikian meningkat dengan ketara. Oleh itu, kadar peralihan antara dua keadaan pegun melebihi magnitud pelepasan spontan. Peralihan daripada keadaan tenaga yang lebih tinggi kepada lebih rendah menghasilkan foton tambahan dengan fasa dan arah yang sama seperti foton kejadian. Ini ialah proses pelepasan paksa.
Pembukaan
Pelepasan terstimulasi ialah penemuan teori Einstein di bawah teori kuantum lama, di mana sinaran diterangkan dari segi foton, yang merupakan kuanta medan elektromagnet. Sinaran sedemikian juga boleh berlaku dalam model klasik tanpa merujuk kepada foton atau mekanik kuantum.
Pancaran rangsangan boleh dimodelkan secara matematik memandangkan atom yang boleh berada dalam salah satu daripada dua keadaan tenaga elektronik, keadaan aras yang lebih rendah (kemungkinan keadaan dasar) dan keadaan teruja, dengan tenaga E1 dan E2 masing-masing.
Jika atom berada dalam keadaan teruja, ia boleh mereput ke keadaan lebih rendah melalui proses pancaran spontan, membebaskan perbezaan tenaga antara kedua-dua keadaan sebagai foton.
Sebagai alternatif, jika atom keadaan teruja terganggu oleh medan elektrik frekuensi ν0, ia boleh mengeluarkan foton tambahan dengan frekuensi dan fasa yang sama, dengan itu meningkatkan medan luaran, meninggalkan atom dalam keadaan tenaga yang lebih rendah. Proses ini dikenali sebagai pelepasan terstimulasi.
Perkadaran
Pemalar kekadaran B21 yang digunakan dalam persamaan untuk menentukan pelepasan spontan dan teraruh dikenali sebagai pekali Einstein B untuk peralihan tertentu itu, dan ρ(ν) ialah ketumpatan sinaran medan kejadian pada frekuensi ν. Oleh itu, kadar pelepasan adalah berkadar dengan bilangan atom dalam keadaan teruja N2 dan ketumpatan foton kejadian. Begitulah hakikatnyafenomena pelepasan rangsangan.
Pada masa yang sama, proses penyerapan atom akan berlaku, yang menghilangkan tenaga dari medan, menaikkan elektron dari keadaan yang lebih rendah ke yang lebih tinggi. Kelajuannya ditentukan oleh persamaan yang pada dasarnya sama.
Oleh itu, kuasa bersih dilepaskan ke medan elektrik bersamaan dengan tenaga foton h kali kadar peralihan bersih ini. Untuk ini menjadi nombor positif, yang menunjukkan jumlah pelepasan spontan dan teraruh, mesti terdapat lebih banyak atom dalam keadaan teruja berbanding tahap bawah.
Perbezaan
Sifat pancaran rangsangan berbanding sumber cahaya konvensional (yang bergantung pada pancaran spontan) ialah foton yang dipancarkan mempunyai frekuensi, fasa, polarisasi dan arah perambatan yang sama seperti foton kejadian. Oleh itu, foton yang terlibat adalah saling koheren. Oleh itu, semasa penyongsangan, penguatan optik sinaran kejadian berlaku.
Perubahan Tenaga
Walaupun tenaga yang dijana oleh pelepasan rangsangan sentiasa berada pada frekuensi tepat medan yang merangsangnya, perihalan pengiraan kelajuan di atas hanya digunakan untuk pengujaan pada frekuensi optik tertentu, kekuatan rangsangan (atau spontan) pelepasan akan berkurangan mengikut dipanggil bentuk garisan. Memandangkan hanya pelebaran seragam yang mempengaruhi resonans atom atau molekul, fungsi bentuk garis spektrum digambarkan sebagai taburan Lorentz.
Oleh itu, pelepasan yang dirangsang dikurangkan dengan inipekali. Dalam amalan, pelebaran bentuk garisan disebabkan oleh pelebaran tidak homogen juga boleh berlaku, terutamanya disebabkan oleh kesan Doppler yang terhasil daripada pengagihan halaju dalam gas pada suhu tertentu. Ini mempunyai bentuk Gaussian dan mengurangkan kekuatan puncak fungsi bentuk garis. Dalam masalah praktikal, fungsi bentuk garisan lengkap boleh dikira dengan menggabungkan fungsi bentuk garisan individu yang terlibat.
Pelepasan rangsangan boleh menyediakan mekanisme fizikal untuk penguatan optik. Jika sumber tenaga luaran merangsang lebih daripada 50% atom dalam keadaan dasar untuk beralih kepada keadaan teruja, maka apa yang dipanggil penyongsangan populasi tercipta.
Apabila cahaya dengan frekuensi yang sesuai melalui medium terbalik, foton sama ada diserap oleh atom yang kekal dalam keadaan dasar atau merangsang atom teruja untuk memancarkan foton tambahan pada frekuensi, fasa dan arah yang sama. Memandangkan terdapat lebih banyak atom dalam keadaan teruja berbanding keadaan dasar, hasilnya ialah peningkatan dalam keamatan input.
Penyerapan sinaran
Dalam fizik, penyerapan sinaran elektromagnet ialah cara tenaga foton diserap oleh jirim, biasanya elektron atom. Oleh itu, tenaga elektromagnet ditukar kepada tenaga dalaman penyerap, seperti haba. Pengurangan dalam keamatan gelombang cahaya yang merambat dalam medium disebabkan oleh penyerapan beberapa fotonnya sering dipanggil pengecilan.
Serapan gelombang biasanyatidak bergantung pada keamatannya (penyerapan linear), walaupun dalam keadaan tertentu (biasanya dalam optik) medium mengubah ketelusan bergantung pada keamatan gelombang yang dihantar dan penyerapan boleh tepu.
Terdapat beberapa cara untuk mengukur seberapa cepat dan cekap sinaran diserap dalam persekitaran tertentu, seperti pekali penyerapan dan beberapa kuantiti terbitan yang berkait rapat.
Faktor pelemahan
Beberapa ciri faktor pengecilan:
- Faktor pelemahan, yang kadangkala, tetapi tidak selalu, sinonim dengan faktor penyerapan.
- Kapasiti penyerapan molar dipanggil pekali kepupusan molar. Ia ialah penyerapan dibahagikan dengan kemolaran.
- Faktor pengecilan jisim ialah faktor penyerapan dibahagikan dengan ketumpatan.
- Keratan rentas serapan dan serakan berkait rapat dengan pekali (masing-masing penyerapan dan pengecilan).
- Kepupusan dalam astronomi adalah bersamaan dengan faktor redaman.
Malar untuk persamaan
Ukuran lain bagi penyerapan sinaran ialah kedalaman penembusan dan kesan kulit, pemalar perambatan, pemalar pengecilan, pemalar fasa dan nombor gelombang kompleks, indeks biasan kompleks dan pekali kepupusan, kebolehtelapan kompleks, kerintangan elektrik dan kekonduksian.
Penyerapan
Penyerapan (juga dipanggil ketumpatan optik) dan optikkedalaman (juga dipanggil ketebalan optik) ialah dua ukuran yang saling berkaitan.
Semua kuantiti ini mengukur, sekurang-kurangnya pada tahap tertentu, berapa banyak medium menyerap sinaran. Walau bagaimanapun, pengamal bidang dan kaedah yang berbeza biasanya menggunakan nilai berbeza yang diambil daripada senarai di atas.
Penyerapan objek mengukur berapa banyak cahaya tuju yang diserap olehnya (bukannya pantulan atau pembiasan). Ini mungkin berkaitan dengan sifat objek lain melalui undang-undang Beer–Lambert.
Ukuran penyerapan yang tepat pada banyak panjang gelombang memungkinkan untuk mengenal pasti bahan menggunakan spektroskopi serapan, di mana sampel diterangi dari satu sisi. Beberapa contoh penyerapan ialah spektroskopi boleh dilihat ultraungu, spektroskopi inframerah dan spektroskopi serapan sinar-X.
Permohonan
Memahami dan mengukur penyerapan elektromagnet dan sinaran teraruh mempunyai banyak kegunaan.
Apabila diedarkan, contohnya, melalui radio, ia dipersembahkan di luar penglihatan.
Pancaran rangsangan laser juga terkenal.
Dalam meteorologi dan klimatologi, suhu global dan tempatan sebahagiannya bergantung pada penyerapan sinaran oleh gas atmosfera (contohnya, kesan rumah hijau), serta permukaan daratan dan lautan.
Dalam bidang perubatan, sinar-X diserap pada tahap yang berbeza-beza oleh tisu yang berbeza (khususnya, tulang), yang merupakan asas untuk radiografi.
Juga digunakan dalam kimia dan sains bahan, sebagai berbezabahan dan molekul akan menyerap sinaran ke darjah yang berbeza pada frekuensi yang berbeza, membolehkan bahan dikenal pasti.
Dalam optik, cermin mata hitam, penapis warna, pewarna dan bahan lain yang serupa direka khas untuk mengambil kira panjang gelombang yang boleh dilihat dan dalam perkadaran. Struktur cermin mata bergantung pada keadaan di mana pelepasan rangsangan muncul.
Dalam biologi, organisma fotosintesis memerlukan cahaya dengan panjang gelombang yang sesuai untuk diserap dalam kawasan aktif kloroplas. Ini perlu supaya tenaga cahaya boleh ditukar kepada tenaga kimia dalam gula dan molekul lain.
Dalam fizik diketahui bahawa rantau D ionosfera Bumi menyerap isyarat radio dengan ketara yang jatuh ke dalam spektrum elektromagnet frekuensi tinggi dan dikaitkan dengan sinaran teraruh.
Dalam fizik nuklear, penyerapan sinaran nuklear boleh digunakan untuk mengukur paras cecair, densitometri atau ukuran ketebalan.
Aplikasi utama sinaran teraruh ialah penjana kuantum, laser, peranti optik.
