گسیل تحریک‌شده فرآیندی است که طی آن یک فوتون ورودی با فرکانس معین می‌تواند با یک الکترون اتمی برانگیخته (یا سایر حالت‌های مولکولی برانگیخته شده) برهمکنش کند و باعث کاهش آن به سطح انرژی پایین‌تر شود. انرژی آزاد شده به میدان الکترومغناطیسی منتقل می شود و یک فوتون جدید با فاز، فرکانس، قطبش و جهت حرکت ایجاد می کند که با فوتون های موج فرودی یکسان است. و این برخلاف تشعشعات خودبه‌خودی است که در فواصل زمانی تصادفی و بدون در نظر گرفتن میدان الکترومغناطیسی اطراف عمل می‌کند.
شرایط به دست آوردن انتشار تحریک شده
فرآیند از نظر شکل با جذب اتمی یکسان است، که در آن انرژی فوتون جذب شده باعث انتقال اتمی یکسان اما مخالف می شود: از پایین تر بهسطح انرژی بالاتر در محیط‌های معمولی در تعادل حرارتی، جذب بیشتر از انتشار تحریک‌شده است، زیرا الکترون‌های بیشتری در حالت‌های انرژی پایین‌تر از حالت‌های انرژی بالاتر وجود دارد.
با این حال، هنگامی که وارونگی جمعیت وجود دارد، نرخ انتشار تحریک شده از نرخ جذب فراتر می رود و می توان به تقویت نوری خالص دست یافت. چنین محیط تقویتی، همراه با تشدید کننده نوری، اساس لیزر یا میزر را تشکیل می دهد. بدون مکانیزم بازخورد، تقویت‌کننده‌های لیزری و منابع سوپرلومینسانس نیز بر اساس انتشار تحریک‌شده کار می‌کنند.
شرط اصلی برای به دست آوردن انتشار تحریک شده چیست؟
الکترون ها و برهم کنش آنها با میدان های الکترومغناطیسی در درک ما از شیمی و فیزیک مهم هستند. در دیدگاه کلاسیک، انرژی الکترونی که به دور هسته اتم می چرخد برای مدارهای دور از هسته اتم بیشتر است.
وقتی یک الکترون انرژی نور (فوتون) یا انرژی گرمایی (فونون) را جذب می کند، این کوانتوم تابشی انرژی را دریافت می کند. اما انتقال فقط بین سطوح انرژی گسسته مجاز است، مانند دو نشان داده شده در زیر. این منجر به خطوط انتشار و جذب می شود.
جنبه انرژی
در ادامه در مورد شرط اصلی به دست آوردن تشعشعات القایی صحبت خواهیم کرد. هنگامی که یک الکترون از سطح انرژی پایین تر به سطح بالاتر برانگیخته می شود، بعید است که برای همیشه در همین حالت باقی بماند. یک الکترون در یک حالت برانگیخته می تواند به پایین تر تجزیه شودحالت انرژی که اشغال نشده است، مطابق با ثابت زمانی معینی که این انتقال را مشخص می کند.
هنگامی که چنین الکترونی بدون تأثیر خارجی فروپاشی می کند و یک فوتون ساطع می کند، به آن گسیل خود به خودی می گویند. فاز و جهت مرتبط با فوتون ساطع شده تصادفی است. بنابراین، ماده ای با تعداد زیادی اتم در چنین حالت برانگیخته ممکن است منجر به تشعشعاتی شود که دارای طیف باریکی است (مرکز آن حول یک طول موج منفرد نور است)، اما فوتون های منفرد روابط فاز مشترکی ندارند و همچنین در جهت های تصادفی گسیل خواهند شد. این مکانیسم تولید فلورسانس و گرما است.
میدان الکترومغناطیسی خارجی در فرکانس مرتبط با گذار می تواند بر وضعیت مکانیکی کوانتومی اتم بدون جذب تأثیر بگذارد. هنگامی که یک الکترون در یک اتم بین دو حالت ساکن (که هیچ کدام میدان دوقطبی را نشان نمی‌دهند) گذار می‌کند، وارد یک حالت گذار می‌شود که میدان دوقطبی دارد و مانند یک دوقطبی الکتریکی کوچک که در فرکانس مشخصی نوسان می‌کند عمل می‌کند.
در پاسخ به یک میدان الکتریکی خارجی در این فرکانس، احتمال انتقال الکترون به چنین حالتی به طور قابل توجهی افزایش می یابد. بنابراین، نرخ انتقال بین دو حالت ساکن از میزان انتشار خود به خود بیشتر است. انتقال از حالت انرژی بالاتر به حالت پایین تر، فوتون اضافی با فاز و جهت فوتون فرودی ایجاد می کند. این فرآیند انتشار اجباری است.
افتتاحیه
گسیل تحریک شده کشف نظری انیشتین تحت تئوری کوانتومی قدیمی بود که در آن تشعشع بر حسب فوتون ها توصیف می شود که کوانتوم های میدان الکترومغناطیسی هستند. چنین تشعشعی می‌تواند در مدل‌های کلاسیک بدون اشاره به فوتون‌ها یا مکانیک کوانتومی نیز رخ دهد.
گسیل تحریک شده را می توان با توجه به اتمی که می تواند در یکی از دو حالت انرژی الکترونیکی، یک حالت سطح پایین تر (احتمالاً حالت پایه) و یک حالت برانگیخته، با انرژی های E1 و E2 باشد، به صورت ریاضی مدل کرد.
اگر یک اتم در حالت برانگیخته باشد، می تواند از طریق یک فرآیند گسیل خود به خود به حالت پایین تر تجزیه شود و اختلاف انرژی بین دو حالت را به صورت فوتون آزاد کند.
متناوباً، اگر یک اتم حالت برانگیخته توسط میدان الکتریکی با فرکانس ν0 آشفته شود، می تواند فوتون اضافی با همان فرکانس و در فاز ساطع کند، در نتیجه میدان خارجی را افزایش می دهد و اتم را در حالت انرژی پایین تر قرار می دهد.. این فرآیند به عنوان انتشار تحریک شده شناخته می شود.
تناسب
ثابت تناسب B21 که در معادلات برای تعیین گسیل خود به خود و القایی استفاده می شود به عنوان ضریب انیشتین B برای آن انتقال خاص شناخته می شود و ρ(ν) چگالی تابش میدان فرودی در فرکانس ν است. بنابراین، سرعت انتشار متناسب با تعداد اتم‌ها در حالت برانگیخته N2 و چگالی فوتون‌های فرودی است. این جوهر استپدیده انتشار تحریک شده.
در همان زمان، فرآیند جذب اتمی انجام می شود که انرژی را از میدان خارج می کند و الکترون ها را از حالت پایین به حالت فوقانی می برد. سرعت آن توسط یک معادله اساساً یکسان تعیین می شود.
بنابراین، توان خالص در میدان الکتریکی برابر با انرژی یک فوتون h برابر این نرخ خالص انتقال آزاد می شود. برای اینکه این عدد یک عدد مثبت باشد که نشان‌دهنده مجموع انتشار خود به خود و القایی است، باید تعداد اتم‌های بیشتری در حالت برانگیخته نسبت به سطح پایین‌تر باشد.
تفاوت
خواص گسیل تحریک شده در مقایسه با منابع نور معمولی (که به گسیل خود به خودی بستگی دارد) این است که فوتون های ساطع شده فرکانس، فاز، قطبش و جهت انتشار مشابه فوتون های فرودی دارند. بنابراین، فوتون های درگیر به هم پیوسته هستند. بنابراین، در حین وارونگی، تقویت نوری تابش فرودی رخ می دهد.
تغییر انرژی
اگرچه انرژی تولید شده توسط گسیل تحریک شده همیشه در فرکانس دقیق میدانی است که آن را تحریک کرده است، توضیحات بالا در مورد محاسبه سرعت فقط برای تحریک در یک فرکانس نوری خاص، قدرت تحریک (یا خود به خودی) کاربرد دارد. انتشار با توجه به نام شکل خط کاهش می یابد. با در نظر گرفتن تنها گسترش یکنواختی که بر رزونانس اتمی یا مولکولی تأثیر می گذارد، تابع شکل خط طیفی به عنوان توزیع لورنتس توصیف می شود.
بنابراین، انتشار تحریک شده با این کاهش می یابدضریب در عمل، گشاد شدن شکل خط به دلیل گشاد شدن ناهمگن نیز می تواند اتفاق بیفتد، عمدتاً به دلیل اثر داپلر ناشی از توزیع سرعت در گاز در دمای معین. این یک شکل گاوسی دارد و قدرت پیک تابع شکل خط را کاهش می دهد. در یک مسئله عملی، تابع شکل خط کامل را می توان با در هم آمیختن توابع شکل خطی درگیر محاسبه کرد.
انتشار تحریک شده می تواند مکانیزم فیزیکی برای تقویت نوری فراهم کند. اگر یک منبع خارجی انرژی بیش از 50 درصد از اتم ها را در حالت پایه تحریک کند تا به حالت برانگیخته تبدیل شوند، آنگاه چیزی ایجاد می شود که وارونگی جمعیت نامیده می شود.
وقتی نور با فرکانس مناسب از یک محیط معکوس عبور می کند، فوتون ها یا توسط اتم هایی که در حالت پایه باقی می مانند جذب می شوند یا اتم های برانگیخته را تحریک می کنند تا فوتون های اضافی با فرکانس، فاز و جهت ساطع کنند. از آنجایی که اتم‌های بیشتری در حالت برانگیخته نسبت به حالت پایه وجود دارد، نتیجه افزایش شدت ورودی است.
جذب تشعشع
در فیزیک، جذب تابش الکترومغناطیسی روشی است که در آن انرژی فوتون توسط ماده، معمولاً الکترون‌های یک اتم، جذب می‌شود. بنابراین انرژی الکترومغناطیسی به انرژی داخلی جاذب مانند گرما تبدیل می شود. کاهش شدت موج نوری که در یک محیط منتشر می شود به دلیل جذب برخی از فوتون های آن اغلب میرایی نامیده می شود.
به طور معمول جذب موجبه شدت آنها (جذب خطی) بستگی ندارد، اگرچه در شرایط خاص (معمولاً در اپتیک) محیط بسته به شدت امواج ارسالی و جذب قابل اشباع، شفافیت را تغییر می دهد.
راه های مختلفی برای تعیین کمیت سرعت و کارآمدی تابش در یک محیط معین وجود دارد، مانند ضریب جذب و برخی از مقادیر مشتق نزدیک به هم.
ضریب کاهش
چند ویژگی عامل کاهش:
- ضریب تضعیف، که گاهی، اما نه همیشه، مترادف با ضریب جذب است.
- ظرفیت جذب مولی را ضریب خاموشی مولی می گویند. این میزان جذب تقسیم بر مولاریته است.
- ضریب تضعیف جرم ضریب جذب تقسیم بر چگالی است.
- مقاطع جذب و پراکندگی ارتباط نزدیکی با ضرایب (به ترتیب جذب و میرایی) دارند.
- انقراض در نجوم معادل ضریب میرایی است.
ثابت برای معادلات
سایر معیارهای جذب تشعشع عبارتند از: عمق نفوذ و اثر پوستی، ثابت انتشار، ثابت میرایی، ثابت فاز و عدد موج مختلط، ضریب شکست پیچیده و ضریب خاموشی، گذردهی پیچیده، مقاومت الکتریکی و رسانایی.
جذب
جذب (که چگالی نوری نیز نامیده می شود) و نوریعمق (که ضخامت نوری نیز نامیده می شود) دو معیار به هم مرتبط هستند.
همه این مقادیر، حداقل تا حدی، میزان جذب تشعشعات را اندازه می گیرند. با این حال، پزشکان رشته ها و روش های مختلف معمولاً از مقادیر متفاوتی استفاده می کنند که از لیست بالا گرفته شده است.
جذب یک جسم مشخص می کند که چه مقدار نور فرودی توسط آن جذب می شود (به جای بازتاب یا شکست). این ممکن است از طریق قانون بیر-لامبرت به سایر خصوصیات جسم مرتبط باشد.
اندازه‌گیری دقیق جذب در طول‌موج‌های زیاد، شناسایی یک ماده را با استفاده از طیف‌سنجی جذبی امکان‌پذیر می‌سازد، جایی که نمونه از یک طرف روشن می‌شود. چند نمونه از جذب عبارتند از طیف‌سنجی مرئی- فرابنفش، طیف‌سنجی مادون قرمز، و طیف‌سنجی جذبی اشعه ایکس.
برنامه
درک و اندازه گیری جذب پرتوهای الکترومغناطیسی و القایی کاربردهای زیادی دارد.
هنگامی که مثلاً از طریق رادیو توزیع می شود، خارج از خط دید ارائه می شود.
انتشار تحریک شده لیزرها نیز به خوبی شناخته شده است.
در هواشناسی و اقلیم شناسی، دمای جهانی و محلی تا حدی به جذب تابش توسط گازهای جوی (به عنوان مثال، اثر گلخانه ای)، و همچنین سطح زمین و اقیانوس بستگی دارد.
در پزشکی، اشعه ایکس به درجات مختلفی توسط بافت های مختلف (به ویژه استخوان) جذب می شود که اساس رادیوگرافی است.
همچنین در شیمی و علم مواد به عنوان متفاوت استفاده می شودمواد و مولکول‌ها تشعشعات را با درجات مختلف در فرکانس‌های مختلف جذب می‌کنند و به مواد اجازه می‌دهند شناسایی شوند.
در اپتیک، عینک‌های آفتابی، فیلترهای رنگی، رنگ‌ها و سایر مواد مشابه به‌طور ویژه طراحی شده‌اند تا طول موج‌های مرئی و با چه نسبت‌هایی را جذب کنند. ساختار عینک بستگی به شرایطی دارد که تحت آن انتشار تحریک شده ظاهر می شود.
در زیست شناسی، موجودات فتوسنتزی به نوری با طول موج مناسب برای جذب در ناحیه فعال کلروپلاست نیاز دارند. این امر ضروری است تا انرژی نور بتواند در قندها و سایر مولکول ها به انرژی شیمیایی تبدیل شود.
در فیزیک شناخته شده است که ناحیه D یونوسفر زمین به طور قابل توجهی سیگنال های رادیویی را جذب می کند که در طیف الکترومغناطیسی فرکانس بالا قرار می گیرند و با تشعشعات القایی مرتبط هستند.
در فیزیک هسته ای، جذب تشعشعات هسته ای می تواند برای اندازه گیری سطوح مایع، چگالی سنجی، یا اندازه گیری ضخامت استفاده شود.
کاربردهای اصلی تشعشعات القایی ژنراتورهای کوانتومی، لیزرها، دستگاه‌های نوری هستند.
