Stimulisana emisija

Из Википедије, слободне енциклопедије
Иди на навигацију Иди на претрагу
Lasersko svetlo je tip stimulisane emisije radijacije.

Stimulisana emisija je proces kojim upadni foton specifične frekvencije može da formira interakciju sa pobuđenim atomskim elektronom (ili drugim pobuđenim molekularnim stanjem), uzrokujući da on padne na niži energetski nivo. Oslobođena energija prenosi se u elektromagnetno polje, stvarajući novi foton sa fazom, frekvencijom, polarizacijom i pravcem kretanja koji su identični fotonima upadnog talasa. To je u suprotnosti sa spontanom emisijom, koja se javlja u nasumičnim intervalima bez obzira na elektromagnetno polje okoline.

Proces je identičan po formi sa atomskom apsorpcijom u kojoj energija apsorbovanog fotona uzrokuje identičan ali suprotan atomski prelaz: sa nižeg na viši energetski nivo. U normalnim medijumima pri toplotnoj ravnoteži, apsorpcija premašuje stimulisanu emisiju, jer ima više elektrona u nižim energetskim stanjima nego u višim energetskim stanjima. Međutim, kada je prisutna inverzija populacije, stopa stimulisane emisije premašuje brzinu apsorpcije i može se postići neto optička amplifikacija. Takav pojačavački medijum, zajedno sa optičkim rezonatorom, u srcu je lasera ili masera. U odsustvu povratnog mehanizma, laserski pojačivači[1][2] i superluminescentni[3] izvori takođe deluju na bazi stimulisane emisije.

Pregled[уреди]

Elektroni i njihove interakcije sa elektromagnetnim poljima važni su u razumevanju hemije i fizike. Prema klasičnom gledištu energija elektrona koji kruže oko atomskih jezgara veća je na orbitama koje su udaljenije od jezgra atoma. Kvantno mehanički efekti prisiljavaju elektrone da zauzmu diskretne položaje u orbitalima. Elektroni se nalaze u specifičnim energetskim nivoima atoma, od kojih su dva prikazana ispod:

Stimulated Emission.svg

Kada elektron apsorbuje energiju iz svetlosti (fotoni) ili iz toplote (fononi), on prima taj upadni kvant energije. Prelazi su dozvoljeni samo između diskretnih nivoa energije, kao što su dva prikazana iznad. To dovodi do emisionih i apsorpcionih linija.

Nakon što se elektron pobudi iz nižeg u viši energetski nivo, malo je verovatno da će tako ostati zauvek. Elektron u pobuđenom stanju može pasti u niže energetsko stanje koje nije zauzeto, prema određenoj vremenskoj konstanti koja karakteriše taj prelaz. Kada takav elektron padne bez spoljnog uticaja, emituje se foton, što se naziva „spontanom emisijom”. Faza i pravac asocirani sa fotonom koji se emituje su randomni. Materijal sa mnogo atoma u takvom pobuđenom stanju bi mogao na taj način da proizvede zračenje koje ima uzak spektar (centriran oko jedne talasne dužine svetlosti), ali pojedinačni fotoni ne bi imali zajednički fazni odnos i takođe bi se kretali u randomnim smerovima. Ovo je mehanizam fluorescencije i toplotne emisije.

Spoljno elektromagnetno polje na frekvenciji povezanoj sa tranzicijom može da utiče na kvantno mehaničko stanje atoma bez apsorpcije. Kako elektron u atomu prelazi između dva stacionarna stanja (od kojih nijedno ne manifestuje dipolno polje), on ulazi u prelazno stanje koje ima dipolno polje i koje deluje kao mali električni dipol, i taj dipol osciluje na karakterističnoj frekvenciji. Kao odgovor na spoljašnje električno polje na ovoj frekvenciji, verovatnoća da će elektron ući u ovo prelazno stanje uveliko se povećava. Stoga je brzina prelaza između dva stacionarna stanja povećana iznad brzine spontane emisije. Prelaz iz višeg u niže energetsko stanje proizvodi dodatni foton iste faze i smera kao i upadni foton; ovo je proces stimulisane emisije.

Istorija[уреди]

Stimulisanu emisiju je teoretski otkrio Ajnštajn[4][5] u okviru stare kvantne teorije, pri čemu se emisija opisuje u smislu fotona koji su kvant EM polja. Stimulisana emisija se takođe može javiti u klasičnim modelima, bez reference na fotone ili kvantnu mehaniku.[6]

Reference[уреди]

  1. ^ Frede, Maik (2015). „Catch the Peak”. Laser Technik Journal. wiley. 12: 30—33. doi:10.1002/latj.201500001. 
  2. ^ Frede, Maik (2007). „Fundamental mode, single-frequency laser amplifier for gravitational wave detectors”. Optics Express. OSA. 15 (2): 459—65. Bibcode:2007OExpr..15..459F. PMID 19532263. doi:10.1364/OE.15.000459. 
  3. ^ D. Kouznetsov; J.F. Bisson; K. Takaichi; K. Ueda (2005). „Single-mode solid-state laser with short wide unstable cavity”. JOSA B. 22 (8): 1605—1619. Bibcode:2005JOSAB..22.1605K. doi:10.1364/JOSAB.22.001605. 
  4. ^ Einstein, A (1916). „Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie”. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 18: 318—323. Bibcode:1916DPhyG..18..318E. 
  5. ^ Einstein, A (1917). „Zur Quantentheorie der Strahlung”. Physikalische Zeitschrift. 18: 121—128. Bibcode:1917PhyZ...18..121E. 
  6. ^ Fain, B.; Milonni, P. W. (1987). „Classical stimulated emission”. Journal of the Optical Society of America B. 4: 78. Bibcode:1987JOSAB...4...78F. doi:10.1364/JOSAB.4.000078. 

Literatura[уреди]

Spoljašnje veze[уреди]