La emisión estimulada es el proceso mediante el cual un fotón entrante de una determinada frecuencia puede interactuar con un electrón atómico excitado (u otro estado molecular excitado), provocando que caiga a un nivel de energía más bajo. La energía liberada se transfiere al campo electromagnético, creando un nuevo fotón con una fase, frecuencia, polarización y dirección de movimiento idénticas a los fotones de la onda incidente. Y esto sucede en contraste con la radiación espontánea, que actúa a intervalos aleatorios, sin tener en cuenta el campo electromagnético circundante.
Condiciones para obtener emisión estimulada
El proceso es idéntico en forma a la absorción atómica, en el que la energía del fotón absorbido provoca una transición atómica idéntica pero opuesta: de menor amayor nivel de energía. En ambientes normales en equilibrio térmico, la absorción excede la emisión estimulada porque hay más electrones en estados de menor energía que en estados de mayor energía.
Sin embargo, cuando hay inversión de población, la tasa de emisión estimulada excede la tasa de absorción y se puede lograr una amplificación óptica pura. Dicho medio amplificador, junto con un resonador óptico, forma la base de un láser o un máser. Al carecer de un mecanismo de retroalimentación, los amplificadores láser y las fuentes superluminiscentes también funcionan sobre la base de la emisión estimulada.
¿Cuál es la principal condición para obtener la emisión estimulada?
Los electrones y sus interacciones con los campos electromagnéticos son importantes para nuestra comprensión de la química y la física. En la visión clásica, la energía de un electrón que gira alrededor de un núcleo atómico es mayor para órbitas alejadas del núcleo atómico.
Cuando un electrón absorbe energía luminosa (fotones) o energía térmica (fonones), recibe este cuanto incidente de energía. Pero las transiciones solo se permiten entre niveles de energía discretos, como los dos que se muestran a continuación. Esto da como resultado líneas de emisión y absorción.
Aspecto energético
A continuación, hablaremos de la principal condición para la obtención de la radiación inducida. Cuando un electrón se excita de un nivel de energía más bajo a uno más alto, es poco probable que permanezca así para siempre. Un electrón en un estado excitado puede decaer a un menorestado de energía que no está ocupado, de acuerdo con una cierta constante de tiempo que caracteriza esta transición.
Cuando un electrón de este tipo se desintegra sin influencia externa, emitiendo un fotón, esto se denomina emisión espontánea. La fase y la dirección asociadas con un fotón emitido son aleatorias. Por lo tanto, un material con muchos átomos en tal estado excitado puede dar como resultado una radiación de espectro estrecho (centrado alrededor de una sola longitud de onda de luz), pero los fotones individuales no tendrán relaciones de fase comunes y también se emitirán en direcciones aleatorias. Este es el mecanismo de fluorescencia y generación de calor.
El campo electromagnético externo a la frecuencia asociada con la transición puede afectar el estado mecánico cuántico del átomo sin absorción. Cuando un electrón en un átomo hace una transición entre dos estados estacionarios (ninguno de los cuales muestra un campo dipolar), entra en un estado de transición que tiene un campo dipolar y actúa como un pequeño dipolo eléctrico que oscila a una frecuencia característica.
En respuesta a un campo eléctrico externo a esta frecuencia, la probabilidad de que un electrón pase a tal estado aumenta significativamente. Así, la tasa de transiciones entre dos estados estacionarios excede la magnitud de la emisión espontánea. La transición de un estado de mayor a menor energía crea un fotón adicional con la misma fase y dirección que el fotón incidente. Este es el proceso de emisión forzada.
Apertura
La emisión estimulada fue el descubrimiento teórico de Einstein bajo la antigua teoría cuántica, en la que la radiación se describe en términos de fotones, que son cuantos del campo electromagnético. Tal radiación también puede ocurrir en modelos clásicos sin referencia a fotones o mecánica cuántica.
La emisión estimulada se puede modelar matemáticamente dado un átomo que puede estar en uno de los dos estados de energía electrónica, un estado de nivel inferior (posiblemente un estado fundamental) y un estado excitado, con energías E1 y E2 respectivamente.
Si un átomo está en un estado excitado, puede decaer a un estado inferior a través de un proceso de emisión espontánea, liberando la diferencia de energía entre los dos estados como un fotón.
Alternativamente, si un átomo en estado excitado es perturbado por un campo eléctrico de frecuencia ν0, puede emitir un fotón adicional de la misma frecuencia y en fase, aumentando así el campo externo, dejando al átomo en un estado de menor energía. Este proceso se conoce como emisión estimulada.
Proporcionalidad
La constante de proporcionalidad B21 utilizada en las ecuaciones para determinar la emisión espontánea e inducida se conoce como el coeficiente B de Einstein para esa transición en particular, y ρ(ν) es la densidad de radiación del campo incidente a la frecuencia ν. Así, la tasa de emisión es proporcional al número de átomos en el estado excitado N2 y la densidad de fotones incidentes. tal es la esenciafenómenos de emisión estimulada.
Al mismo tiempo, se producirá el proceso de absorción atómica, que sustrae energía del campo, elevando electrones del estado inferior al superior. Su velocidad está determinada por una ecuación esencialmente idéntica.
Por lo tanto, la potencia neta se libera en un campo eléctrico igual a la energía de un fotón h multiplicada por esta tasa de transición neta. Para que sea un número positivo, que indique la emisión total espontánea e inducida, debe haber más átomos en el estado excitado que en el nivel inferior.
Diferencias
Las propiedades de la emisión estimulada en comparación con las fuentes de luz convencionales (que dependen de la emisión espontánea) es que los fotones emitidos tienen la misma frecuencia, fase, polarización y dirección de propagación que los fotones incidentes. Por lo tanto, los fotones involucrados son mutuamente coherentes. Por lo tanto, durante la inversión se produce una amplificación óptica de la radiación incidente.
Cambio de energía
Aunque la energía generada por la emisión estimulada siempre tiene la frecuencia exacta del campo que la estimuló, la descripción anterior del cálculo de la velocidad solo se aplica a la excitación a una frecuencia óptica específica, la fuerza de la estimulación (o espontánea) la emisión disminuirá de acuerdo con la llamada forma de la línea. Considerando solo el ensanchamiento uniforme que afecta la resonancia atómica o molecular, la función de forma de la línea espectral se describe como una distribución de Lorentz.
Así, la emisión estimulada se reduce por estecoeficiente. En la práctica, también puede tener lugar un ensanchamiento de la forma de la línea debido a un ensanchamiento no homogéneo, principalmente debido al efecto Doppler resultante de la distribución de velocidades en el gas a una temperatura determinada. Esto tiene una forma gaussiana y reduce la fuerza máxima de la función de forma de línea. En un problema práctico, la función de forma de línea completa se puede calcular convolucionando las funciones de forma de línea individuales involucradas.
La emisión estimulada puede proporcionar un mecanismo físico para la amplificación óptica. Si una fuente externa de energía estimula más del 50 % de los átomos en el estado fundamental para pasar a un estado excitado, se crea lo que se denomina una inversión de población.
Cuando la luz de la frecuencia apropiada pasa a través de un medio invertido, los fotones son absorbidos por los átomos que permanecen en el estado fundamental o estimulan a los átomos excitados para que emitan fotones adicionales de la misma frecuencia, fase y dirección. Dado que hay más átomos en el estado excitado que en el estado fundamental, el resultado es un aumento en la intensidad de entrada.
Absorción de radiación
En física, la absorción de radiación electromagnética es la forma en que la energía de un fotón es absorbida por la materia, normalmente los electrones de un átomo. Así, la energía electromagnética se convierte en la energía interna del absorbedor, como el calor. La disminución en la intensidad de una onda de luz que se propaga en un medio debido a la absorción de algunos de sus fotones a menudo se denomina atenuación.
Absorción de ondas normalmenteno depende de su intensidad (absorción lineal), aunque bajo ciertas condiciones (generalmente en óptica) el medio cambia de transparencia dependiendo de la intensidad de las ondas transmitidas y la absorción saturable.
Hay varias formas de cuantificar qué tan rápido y eficientemente se absorbe la radiación en un entorno dado, como el coeficiente de absorción y algunas cantidades derivadas estrechamente relacionadas.
Factor de atenuación
Varias características del factor de atenuación:
- Factor de atenuación, que a veces, pero no siempre, es sinónimo de factor de absorción.
- La capacidad de absorción molar se denomina coeficiente de extinción molar. Es la absorbancia dividida por la molaridad.
- El factor de atenuación de masa es el factor de absorción dividido por la densidad.
- Las secciones transversales de absorción y dispersión están estrechamente relacionadas con los coeficientes (absorción y atenuación, respectivamente).
- La extinción en astronomía es equivalente al factor de amortiguamiento.
Constante para ecuaciones
Otras medidas de absorción de radiación son la profundidad de penetración y el efecto pelicular, la constante de propagación, la constante de atenuación, la constante de fase y el número de onda complejo, el índice de refracción complejo y el coeficiente de extinción, la permitividad compleja, la resistividad eléctrica y la conductividad.
Absorción
Absorción (también llamada densidad óptica) yprofundidad (también llamado grosor óptico) son dos medidas interrelacionadas.
Todas estas cantidades miden, al menos hasta cierto punto, la cantidad de radiación que absorbe un medio. Sin embargo, los practicantes de diferentes campos y métodos suelen utilizar diferentes valores tomados de la lista anterior.
La absorción de un objeto cuantifica la cantidad de luz incidente que absorbe (en lugar de la reflexión o la refracción). Esto puede estar relacionado con otras propiedades del objeto a través de la ley de Beer-Lambert.
Las mediciones precisas de absorbancia en muchas longitudes de onda permiten identificar una sustancia mediante espectroscopia de absorción, donde la muestra se ilumina desde un lado. Algunos ejemplos de absorción son la espectroscopia ultravioleta-visible, la espectroscopia infrarroja y la espectroscopia de absorción de rayos X.
Solicitud
Comprender y medir la absorción de radiación electromagnética e inducida tiene muchas aplicaciones.
Cuando se distribuye, por ejemplo, por radio, se presenta fuera de la vista.
La emisión estimulada de láseres también es bien conocida.
En meteorología y climatología, las temperaturas globales y locales dependen en parte de la absorción de radiación por parte de los gases atmosféricos (por ejemplo, el efecto invernadero), así como de las superficies terrestres y oceánicas.
En medicina, los rayos X son absorbidos en diversos grados por diferentes tejidos (en particular, el hueso), que es la base de la radiografía.
También se usa en química y ciencia de materiales, como diferenteslos materiales y las moléculas absorberán la radiación en diferentes grados a diferentes frecuencias, lo que permitirá identificar el material.
En óptica, las gafas de sol, los filtros de color, los tintes y otros materiales similares están especialmente diseñados para tener en cuenta qué longitudes de onda visibles absorben y en qué proporciones. La estructura de los vasos depende de las condiciones en las que aparece la emisión estimulada.
En biología, los organismos fotosintéticos requieren luz de la longitud de onda apropiada para ser absorbida en la región activa de los cloroplastos. Esto es necesario para que la energía de la luz se pueda convertir en energía química dentro de los azúcares y otras moléculas.
Se sabe en física que la región D de la ionosfera de la Tierra absorbe significativamente las señales de radio que caen en el espectro electromagnético de alta frecuencia y están asociadas con la radiación inducida.
En física nuclear, la absorción de radiación nuclear se puede utilizar para medir niveles de líquidos, densitometría o mediciones de espesor.
Las principales aplicaciones de la radiación inducida son generadores cuánticos, láseres, dispositivos ópticos.
