Stimuloitu emissio

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Stimuloidulla emissiolla tarkoitetaan optiikassa ilmiötä, jossa viritettyä elektronia häiritään (stimuloidaan) fotonilla, jolla on oikea energia, jolloin elektroni palaa perustilaansa emittoiden samalla fotonin. Tällä emittoituneella fotonilla on sama energia, vaihe, suunta ja polarisaatio kuin stimuloivalla fotonilla. Stimuloidussa emissiossa syntyy siis koherenttia säteilyä [1]. Stimuloitu emissio on valoa vahvistavan prosessin perusilmiö ja mahdollistaa laserin ja maserin toiminnan.

Johdanto[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Jos elektroni on viritystilassa, se voi purkautua perustilaansa, joko spontaanilla emissiolla vapauttaen fotonin, jonka energia on viritetyn energiatilan E_2 ja alemman tilan (perustilan) E_1 energiaerotus

E_2 - E_1 = h \nu,

missä h on Planckin vakio ja \nu on taajuus. Vaihtoehtoisesti viritetty atomi voi purkautua stimuloidulla emissiolla, jossa viritettyä elektronia häiritään (stimuloidaan) fotonilla, jonka taajuus on \nu, jolloin elektroni palatessaan perustilaansa emittoi toisen fotonin, jolla on sama taajuus kuin ensimmäisellä (stimuloivalla) fotonilla. Kuvassa on esitetty stimuloidun emission periaate energiatasojen avulla.


Stimuloitu emissio


Fotonit ovat bosoneita, jotka pitävät toistensa seurasta. Jos valokentässä on jo tietyn taajuuksisia ja -vaiheisia sekä kulkusuuntaisia fotoneja, kentän tielle osuva atomi luovuttaa kentälle mieluiten vastaavanlaisen fotonin. Stimuloidussa emissiossa energiaehdon täyttävä tuleva fotoni siis stimuloi atomia synnyttämään itsensä kaltaisen fotonin [2].

Jos oletetaan että viritetyillä tiloilla olevissa atomeissa on ajan dt kuluttua tapahtunut dN stimuloitua emissioita, saadaan emissionopeudeksi:

\frac{dN}{dt} = - B_{21} \rho (\nu) N ,

missä B21 on todennäköisyysvakio tietylle transitiolle tietyssä atomissa ja \rho on fotonien säteilytiheys taajuudella \nu. Emissionopeus riippuu siis sekä viritettyjen atomien määrästä N että stimuloivien fotonien määrästä.

Useista eri syistä johtuen emittoituvien fotonien taajuudet (energiat) eivät ole täsmälleen samat. Tämän vuoksi myöskään fotonien emissiospektri ei ole äärettömän kapea viiva vaan sillä on tietty jakauma. Vaikka tämä spektriviiva voi olla erimuotoinen, mallinnetaan sitä usein Lorenzin jakaumalla:

 g(\nu) = {1 \over \pi } { (\Gamma / 2) \over (\nu - \nu_0)^2 + (\Gamma /2 )^2 }

missä \Gamma on jakauman leveys (tarkemmin puoliarvoleveys).

Stimuloidun emission vaikutusala, joka ilmaisee transition todennäköisyyden [3]:

\sigma_{21}(\nu) = A_{21} { \lambda^2 \over 8 \pi n^2} g(\nu),

missä

A21= Einsteinin A vakio (rad/s)
\lambda=aallonpituus (m)
n= taitekerroin
g(ν)= spektrin jakaumafunktio

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Määritä nimeke! (Free dictionary by Farlex) Viitattu 7.2.2009. en
  2. Määritä nimeke! (Encyclopedia of Laser Physics and Technology) Viitattu 7.2.2009. en
  3. Määritä nimeke! (Encyclopedia of Laser Physics and Technology) Viitattu 7.2.2009. en