L'emissione stimolata è il processo mediante il quale un fotone in arrivo di una certa frequenza può interagire con un elettrone atomico eccitato (o un altro stato molecolare eccitato), facendolo scendere a un livello di energia inferiore. L'energia rilasciata viene trasferita al campo elettromagnetico, creando un nuovo fotone con fase, frequenza, polarizzazione e direzione del moto identiche ai fotoni dell'onda incidente. E questo accade in contrasto con la radiazione spontanea, che funziona a intervalli casuali, senza tener conto del campo elettromagnetico circostante.
Condizioni per ottenere l'emissione stimolata
Il processo è identico nella forma all'assorbimento atomico, in cui l'energia del fotone assorbito provoca una transizione atomica identica ma opposta: da inferiore alivello di energia più elevato. In ambienti normali in equilibrio termico, l'assorbimento supera l'emissione stimolata perché ci sono più elettroni negli stati energetici inferiori che negli stati energetici superiori.
Tuttavia, quando è presente l'inversione della popolazione, la velocità di emissione stimolata supera la velocità di assorbimento e si può ottenere un'amplificazione ottica pura. Tale mezzo di amplificazione, insieme a un risonatore ottico, costituisce la base di un laser o di un maser. In mancanza di un meccanismo di feedback, anche gli amplificatori laser e le sorgenti superluminescenti funzionano sulla base dell'emissione stimolata.
Qual è la condizione principale per ottenere l'emissione stimolata?
Gli elettroni e le loro interazioni con i campi elettromagnetici sono importanti per la nostra comprensione della chimica e della fisica. Nella visione classica, l'energia di un elettrone che ruota attorno a un nucleo atomico è maggiore per orbite lontane dal nucleo atomico.
Quando un elettrone assorbe energia luminosa (fotoni) o energia termica (fononi), riceve questo quanto incidente di energia. Ma le transizioni sono consentite solo tra livelli energetici discreti, come i due mostrati di seguito. Ciò si traduce in linee di emissione e assorbimento.
Aspetto energetico
Successivamente, parleremo della condizione principale per ottenere la radiazione indotta. Quando un elettrone viene eccitato da un livello di energia inferiore a uno superiore, è improbabile che rimanga tale per sempre. Un elettrone in uno stato eccitato può decadere a un valore inferiorestato energetico non occupato, secondo una certa costante di tempo che caratterizza questa transizione.
Quando un tale elettrone decade senza influenze esterne, emettendo un fotone, si parla di emissione spontanea. La fase e la direzione associate a un fotone emesso sono casuali. Pertanto, un materiale con molti atomi in un tale stato eccitato può risultare in una radiazione che ha uno spettro ristretto (centrato attorno a una singola lunghezza d'onda della luce), ma i singoli fotoni non avranno relazioni di fase comuni e saranno anche emessi in direzioni casuali. Questo è il meccanismo della fluorescenza e della generazione di calore.
Il campo elettromagnetico esterno alla frequenza associata alla transizione può influenzare lo stato quantomeccanico dell'atomo senza assorbimento. Quando un elettrone in un atomo effettua una transizione tra due stati stazionari (nessuno dei quali mostra un campo di dipolo), entra in uno stato di transizione che ha un campo di dipolo e si comporta come un piccolo dipolo elettrico che oscilla a una frequenza caratteristica.
In risposta a un campo elettrico esterno a questa frequenza, la probabilità di un passaggio di un elettrone a tale stato aumenta significativamente. Pertanto, la velocità di transizione tra due stati stazionari supera l'entità dell'emissione spontanea. La transizione da uno stato energetico superiore a uno inferiore crea un fotone aggiuntivo con la stessa fase e direzione del fotone incidente. Questo è il processo di emissione forzata.
Apertura
L'emissione stimolata è stata la scoperta teorica di Einstein nell'ambito della vecchia teoria quantistica, in cui la radiazione è descritta in termini di fotoni, che sono quanti del campo elettromagnetico. Tale radiazione può verificarsi anche nei modelli classici senza riferimento a fotoni o meccanica quantistica.
L'emissione stimolata può essere modellata matematicamente dato un atomo che può trovarsi in uno dei due stati energetici elettronici, uno stato di livello inferiore (possibilmente uno stato fondamentale) e uno stato eccitato, con energie E1 ed E2 rispettivamente.
Se un atomo è in uno stato eccitato, può decadere in uno stato inferiore attraverso un processo di emissione spontanea, liberando la differenza di energia tra i due stati come un fotone.
In alternativa, se un atomo in stato eccitato è perturbato da un campo elettrico di frequenza ν0, può emettere un fotone aggiuntivo della stessa frequenza e in fase, aumentando così il campo esterno, lasciando l'atomo in uno stato energetico inferiore. Questo processo è noto come emissione stimolata.
Proporzionalità
La costante di proporzionalità B21 utilizzata nelle equazioni per determinare l'emissione spontanea e indotta è nota come coefficiente B di Einstein per quella particolare transizione e ρ(ν) è la densità di radiazione del campo incidente alla frequenza ν. Pertanto, la velocità di emissione è proporzionale al numero di atomi nello stato eccitato N2 e alla densità dei fotoni incidenti. Tale è l'essenzafenomeni di emissione stimolata.
Allo stesso tempo, avrà luogo il processo di assorbimento atomico, che rimuove l'energia dal campo, elevando gli elettroni dallo stato inferiore a quello superiore. La sua velocità è determinata da un'equazione essenzialmente identica.
Così, la potenza netta viene rilasciata in un campo elettrico pari all'energia di un fotone h moltiplicata per questa velocità di transizione netta. Perché questo sia un numero positivo, che indichi l'emissione spontanea e indotta totale, devono esserci più atomi nello stato eccitato che nel livello inferiore.
Differenze
La proprietà dell'emissione stimolata rispetto alle sorgenti luminose convenzionali (che dipendono dall'emissione spontanea) è che i fotoni emessi hanno la stessa frequenza, fase, polarizzazione e direzione di propagazione dei fotoni incidenti. Pertanto, i fotoni coinvolti sono reciprocamente coerenti. Pertanto, durante l'inversione, si verifica l'amplificazione ottica della radiazione incidente.
Cambiamento energetico
Sebbene l'energia generata dall'emissione stimolata sia sempre alla frequenza esatta del campo che l'ha stimolata, la descrizione di cui sopra del calcolo della velocità si applica solo all'eccitazione a una specifica frequenza ottica, la forza di stimolato (o spontaneo) l'emissione diminuirà in base alla forma della linea chiamata. Considerando solo l'allargamento uniforme che influenza la risonanza atomica o molecolare, la funzione della forma della linea spettrale è descritta come una distribuzione di Lorentz.
Quindi, l'emissione stimolata viene ridotta di questocoefficiente. In pratica possono verificarsi anche allargamenti di forma di linea dovuti ad allargamenti disomogenei, principalmente per effetto Doppler risultante dalla distribuzione delle velocità nel gas ad una certa temperatura. Questo ha una forma gaussiana e riduce la forza di picco della funzione di forma della linea. In un problema pratico, la funzione di forma di linea completa può essere calcolata convogliando le singole funzioni di forma di linea coinvolte.
L'emissione stimolata può fornire un meccanismo fisico per l'amplificazione ottica. Se una fonte di energia esterna stimola più del 50% degli atomi nello stato fondamentale a passare a uno stato eccitato, viene creata quella che viene chiamata inversione di popolazione.
Quando la luce della frequenza appropriata passa attraverso un mezzo invertito, i fotoni vengono assorbiti da atomi che rimangono nello stato fondamentale o stimolano gli atomi eccitati a emettere fotoni aggiuntivi della stessa frequenza, fase e direzione. Poiché ci sono più atomi nello stato eccitato che nello stato fondamentale, il risultato è un aumento dell'intensità di ingresso.
Assorbimento delle radiazioni
In fisica, l'assorbimento della radiazione elettromagnetica è il modo in cui l'energia di un fotone viene assorbita dalla materia, solitamente gli elettroni di un atomo. Pertanto, l'energia elettromagnetica viene convertita nell'energia interna dell'assorbitore, come il calore. La diminuzione dell'intensità di un'onda luminosa che si propaga in un mezzo a causa dell'assorbimento di alcuni dei suoi fotoni è spesso chiamata attenuazione.
Normalmente assorbimento delle ondenon dipende dalla loro intensità (assorbimento lineare), anche se in determinate condizioni (solitamente in ottica) il mezzo cambia trasparenza a seconda dell'intensità delle onde trasmesse e dell'assorbimento saturabile.
Ci sono diversi modi per quantificare quanto velocemente ed efficacemente la radiazione viene assorbita in un dato ambiente, come il coefficiente di assorbimento e alcune grandezze derivate strettamente correlate.
Fattore di attenuazione
Diverse caratteristiche del fattore di attenuazione:
- Fattore di attenuazione, che a volte, ma non sempre, è sinonimo di fattore di assorbimento.
- La capacità di assorbimento molare è chiamata coefficiente di estinzione molare. È l'assorbanza divisa per la molarità.
- Il fattore di attenuazione della massa è il fattore di assorbimento diviso per la densità.
- Le sezioni trasversali di assorbimento e scattering sono strettamente correlate ai coefficienti (rispettivamente assorbimento e attenuazione).
- L'estinzione in astronomia equivale al fattore di smorzamento.
Costante per le equazioni
Altre misure di assorbimento delle radiazioni sono la profondità di penetrazione e l'effetto pelle, la costante di propagazione, la costante di attenuazione, la costante di fase e il numero d'onda complesso, l'indice di rifrazione complesso e il coefficiente di estinzione, la permittività complessa, la resistività elettrica e la conducibilità.
Assorbimento
Assorbimento (detto anche densità ottica) e otticola profondità (detta anche spessore ottico) sono due misure correlate.
Tutte queste quantità misurano, almeno in una certa misura, quanto un mezzo assorbe le radiazioni. Tuttavia, i professionisti di diversi campi e metodi di solito usano valori diversi presi dall'elenco sopra.
L'assorbimento di un oggetto quantifica quanta luce incidente viene assorbita da esso (anziché riflessione o rifrazione). Questo può essere correlato ad altre proprietà dell'oggetto attraverso la legge Beer-Lambert.
Misurazioni precise dell'assorbanza a molte lunghezze d'onda consentono di identificare una sostanza mediante la spettroscopia di assorbimento, in cui il campione viene illuminato da un lato. Alcuni esempi di assorbimento sono la spettroscopia ultravioletta-visibile, la spettroscopia infrarossa e la spettroscopia di assorbimento di raggi X.
Applicazione
Capire e misurare l'assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche e indotte ha molte applicazioni.
Quando distribuito, ad esempio, via radio, viene presentato fuori dal campo visivo.
Anche l'emissione stimolata di laser è nota.
In meteorologia e climatologia, le temperature globali e locali dipendono in parte dall'assorbimento delle radiazioni da parte dei gas atmosferici (ad esempio l'effetto serra), nonché dalle superfici terrestri e oceaniche.
In medicina, i raggi X vengono assorbiti in varia misura da diversi tessuti (in particolare dalle ossa), che sono alla base della radiografia.
Utilizzato anche in chimica e scienza dei materiali, come diversoi materiali e le molecole assorbiranno le radiazioni in gradi diversi a frequenze diverse, consentendo l'identificazione del materiale.
Nell'ottica, occhiali da sole, filtri colorati, coloranti e altri materiali simili sono appositamente progettati per tenere conto delle lunghezze d'onda visibili che assorbono e in quali proporzioni. La struttura dei vetri dipende dalle condizioni in cui compare l'emissione stimolata.
In biologia, gli organismi fotosintetici richiedono che la luce della lunghezza d'onda appropriata venga assorbita nella regione attiva dei cloroplasti. Ciò è necessario affinché l'energia luminosa possa essere convertita in energia chimica all'interno di zuccheri e altre molecole.
In fisica è noto che la regione D della ionosfera terrestre assorbe significativamente i segnali radio che cadono nello spettro elettromagnetico ad alta frequenza e sono associati alla radiazione indotta.
Nella fisica nucleare, l'assorbimento della radiazione nucleare può essere utilizzato per misurare i livelli di liquidi, la densitometria o le misurazioni dello spessore.
Le principali applicazioni della radiazione indotta sono generatori quantistici, laser, dispositivi ottici.
