Stimulovaná emise

Stimulovaná emise byla teoretickým objevem Einsteina

Atom

Atom je základní jednotka hmoty, která se skládá z hustého centrálního jádra obklopeného mračnem negativně nabitých elektronů. Atomové jádro obsahuje směs kladně nabitých protonů a elektricky neutrálních neutronů (s výjimkou vodíku-1, který je jediným stabilním nuklidem bez neutronů). Elektrony atomu jsou vázány k jádru elektromagnetickou silou.

 

 

 

 

 

 

 

Bohrův model atomu vodíku, ukazující elektron skákající mezi pevnými oběžnými drahami a emitující foton energie s určitou frekvencí

 

Když je elektron vázán na atom, má potenciální energii, která je nepřímo úměrná jeho vzdálenosti od jádra. Tato energie se měří množstvím energie potřebné k uvolnění elektronu z atomu a obvykle se udává v jednotkách elektronvoltů (eV). V kvantovém mechanickém modelu může vázaný elektron obsadit pouze sadu stavů soustředěných kolem jádra a každý stav odpovídá určité energetické hladině. Nejnižší energetický stav vázaného elektronu se nazývá základní stav, zatímco elektron na vyšší energetické hladině je v excitovaném stavu.
Aby elektron přešel mezi dvěma různými stavy, musí absorpovat nebo emitovat foton s energií odpovídající rozdílu potenciální energie těchto hladin. Energie emitovaného fotonu je úměrná jeho frekvenci, takže tyto specifické energetické hladiny se objevují jako výrazné pásy v elektromagnetickém spektru. Každý prvek má charakteristické spektrum, které může záviset na nukleárním náboji, podslupkách vyplněných elektrony, elektromagnetických interakcích mezi elektrony a dalších faktorech.

 

 

Spontánní emise

Spontánní emise je proces, při kterém zdroj světla, jako je atom, molekula, nanokrystal nebo jádro v excitovaném stavu, přechází do stavu s nižší energií, například do základního stavu, a emitují foton. Spontánní emise světla nebo luminiscence je základní proces, který hraje podstatnou roli v mnoha přírodních jevech a tvoří základ mnoha aplikací, jako jsou zářivky, starší televizní obrazovky (katodové trubice), plazmové displeje, lasery (pro start - normální nepřetržitý provoz funguje na principu stimulované emise) a světelné diody.

Když elektron absorbuje energii buď ze světla (fotonů) nebo tepla (fononů), přijímá tuto přicházející kvanta energie.
Když je elektron excitován z nižší na vyšší energetickou hladinu, nezůstane v tomto stavu navždy. Elektron v excitovaném stavu může přejít na nižší energetickou hladinu, která není obsazena, podle určité časové konstanty charakterizující tento přechod. Když takový elektron přechází bez vnějšího vlivu a emitují foton, nazývá se to „spontánní emise“. Fáze spojená s emitovaným fotonem je náhodná. Materiál s mnoha atomy v takovém excitovaném stavu může tedy vyzařovat záření, které je velmi spektrálně omezené (soustředěné kolem jedné vlnové délky světla), ale jednotlivé fotony by neměly žádný společný fázový vztah a vyzařovaly by v náhodných směrech. Toto je mechanismus fluorescence a tepelné emise.

 

 

Stimulovaná emise

V optice je stimulovaná emise proces, při kterém atomový elektron (nebo excitovaný molekulární stav) interagující s elektromagnetickou vlnou určité frekvence může přejít na nižší energetickou hladinu a přenést svou energii na toto pole. Foton vytvořený tímto způsobem má stejnou fázi, frekvenci, polarizaci a směr šíření jako fotony incidentní vlny. To je na rozdíl od spontánní emise, která probíhá bez ohledu na okolní elektromagnetické pole. Nicméně proces je formálně identický s atomovou absorpcí, při které energie absorbovaného fotonu způsobí identický, ale opačný atomový přechod: z nižší hladiny na vyšší energetickou hladinu. V normálních médiích v termodynamické rovnováze převyšuje absorpce stimulovanou emisi, protože je v nižších energetických stavech více elektronů než ve vyšších energetických stavech. Nicméně, když je přítomna inverze populace, převyšuje rychlost stimulované emise rychlost absorpce a lze dosáhnout čistého optického zesílení. Takové zesilovací médium spolu s optickým rezonátorem je základem laseru nebo maseru. Bez zpětnovazebního mechanismu fungují také laserové zesilovače a superluminiscenční zdroje na principu stimulované emise

 

Laser