Emisi terstimulasi adalah proses di mana foton yang masuk dengan frekuensi tertentu dapat berinteraksi dengan elektron atom tereksitasi (atau keadaan molekul tereksitasi lainnya), menyebabkannya turun ke tingkat energi yang lebih rendah. Energi yang dilepaskan ditransfer ke medan elektromagnetik, menciptakan foton baru dengan fase, frekuensi, polarisasi, dan arah gerak yang identik dengan foton gelombang datang. Dan ini terjadi berbeda dengan radiasi spontan, yang bekerja pada interval acak, tanpa memperhitungkan medan elektromagnetik di sekitarnya.
Syarat untuk mendapatkan emisi terstimulasi
Prosesnya identik dalam bentuk penyerapan atom, di mana energi foton yang diserap menyebabkan transisi atom yang identik tetapi berlawanan: dari bawah ketingkat energi yang lebih tinggi. Dalam lingkungan normal dalam kesetimbangan termal, penyerapan melebihi emisi terstimulasi karena ada lebih banyak elektron di tingkat energi yang lebih rendah daripada di tingkat energi yang lebih tinggi.
Namun, bila ada inversi populasi, laju emisi terstimulasi melebihi laju absorpsi dan amplifikasi optik murni dapat dicapai. Media penguat seperti itu, bersama dengan resonator optik, membentuk dasar laser atau maser. Karena tidak memiliki mekanisme umpan balik, amplifier laser dan sumber superluminescent juga beroperasi berdasarkan emisi terstimulasi.
Apa syarat utama untuk mendapatkan emisi terstimulasi?
Elektron dan interaksinya dengan medan elektromagnetik penting dalam pemahaman kita tentang kimia dan fisika. Dalam pandangan klasik, energi elektron yang mengelilingi inti atom lebih besar untuk orbit yang jauh dari inti atom.
Ketika sebuah elektron menyerap energi cahaya (foton) atau energi panas (fonon), ia menerima energi kuantum kejadian ini. Tapi transisi hanya diperbolehkan antara tingkat energi diskrit, seperti dua yang ditunjukkan di bawah ini. Ini menghasilkan garis emisi dan penyerapan.
Aspek energi
Selanjutnya, kita akan berbicara tentang syarat utama untuk mendapatkan radiasi induksi. Ketika sebuah elektron tereksitasi dari tingkat energi yang lebih rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi, tidak mungkin untuk tetap seperti itu selamanya. Sebuah elektron dalam keadaan tereksitasi dapat meluruh ke tingkat yang lebih rendahkeadaan energi yang tidak ditempati, sesuai dengan konstanta waktu tertentu yang mencirikan transisi ini.
Ketika elektron seperti itu meluruh tanpa pengaruh eksternal, memancarkan foton, ini disebut emisi spontan. Fase dan arah yang terkait dengan foton yang dipancarkan adalah acak. Dengan demikian, bahan dengan banyak atom dalam keadaan tereksitasi seperti itu dapat menghasilkan radiasi yang memiliki spektrum sempit (berpusat di sekitar satu panjang gelombang cahaya), tetapi masing-masing foton tidak akan memiliki hubungan fase yang sama dan juga akan dipancarkan dalam arah acak. Ini adalah mekanisme fluoresensi dan pembangkitan panas.
Medan elektromagnetik eksternal pada frekuensi yang terkait dengan transisi dapat memengaruhi keadaan mekanika kuantum atom tanpa penyerapan. Ketika sebuah elektron dalam sebuah atom melakukan transisi antara dua keadaan stasioner (keduanya tidak menunjukkan medan dipol), ia memasuki keadaan transisi yang memiliki medan dipol dan bertindak seperti dipol listrik kecil yang berosilasi pada frekuensi karakteristik.
Menanggapi medan listrik eksternal pada frekuensi ini, kemungkinan transisi elektron ke keadaan seperti itu meningkat secara signifikan. Dengan demikian, laju transisi antara dua keadaan stasioner melebihi besarnya emisi spontan. Transisi dari keadaan energi yang lebih tinggi ke energi yang lebih rendah menciptakan foton tambahan dengan fase dan arah yang sama dengan foton datang. Ini adalah proses emisi paksa.
Pembukaan
Emisi terstimulasi adalah penemuan teoretis Einstein di bawah teori kuantum lama, di mana radiasi dijelaskan dalam bentuk foton, yang merupakan kuanta medan elektromagnetik. Radiasi seperti itu juga dapat terjadi pada model klasik tanpa mengacu pada foton atau mekanika kuantum.
Emisi terstimulasi dapat dimodelkan secara matematis mengingat atom yang dapat berada di salah satu dari dua keadaan energi elektronik, keadaan tingkat yang lebih rendah (mungkin keadaan dasar) dan keadaan tereksitasi, dengan energi E1 dan E2 masing-masing.
Jika sebuah atom dalam keadaan tereksitasi, ia dapat meluruh ke keadaan yang lebih rendah melalui proses emisi spontan, melepaskan perbedaan energi antara kedua keadaan sebagai foton.
Atau, jika atom keadaan tereksitasi terganggu oleh medan listrik frekuensi 0, ia dapat memancarkan foton tambahan dengan frekuensi dan fase yang sama, sehingga meningkatkan medan eksternal, meninggalkan atom dalam keadaan energi yang lebih rendah. Proses ini dikenal sebagai emisi terstimulasi.
Proporsionalitas
Konstanta proporsionalitas B21 yang digunakan dalam persamaan untuk menentukan emisi spontan dan induksi dikenal sebagai koefisien Einstein B untuk transisi tertentu, dan (ν) adalah kerapatan radiasi medan datang pada frekuensi. Jadi, laju emisi sebanding dengan jumlah atom dalam keadaan tereksitasi N2 dan kerapatan foton datang. Begitulah intinyafenomena emisi terstimulasi.
Pada saat yang sama, proses penyerapan atom akan terjadi, yang menghilangkan energi dari medan, menaikkan elektron dari keadaan yang lebih rendah ke tingkat yang lebih tinggi. Kecepatannya ditentukan oleh persamaan yang pada dasarnya identik.
Dengan demikian, daya bersih dilepaskan ke dalam medan listrik yang sama dengan energi foton h dikalikan laju transisi bersih ini. Agar ini menjadi bilangan positif, menunjukkan total emisi spontan dan terinduksi, harus ada lebih banyak atom dalam keadaan tereksitasi daripada di tingkat yang lebih rendah.
Perbedaan
Sifat emisi terstimulasi dibandingkan dengan sumber cahaya konvensional (yang bergantung pada emisi spontan) adalah bahwa foton yang dipancarkan memiliki frekuensi, fase, polarisasi, dan arah rambat yang sama dengan foton datang. Dengan demikian, foton yang terlibat saling koheren. Oleh karena itu, selama inversi, amplifikasi optik dari radiasi datang terjadi.
Perubahan Energi
Meskipun energi yang dihasilkan oleh emisi terstimulasi selalu pada frekuensi yang tepat dari medan yang merangsangnya, deskripsi perhitungan kecepatan di atas hanya berlaku untuk eksitasi pada frekuensi optik tertentu, kekuatan terstimulasi (atau spontan) emisi akan berkurang sesuai dengan yang disebut bentuk garis. Mengingat hanya pelebaran seragam yang mempengaruhi resonansi atom atau molekul, fungsi bentuk garis spektral digambarkan sebagai distribusi Lorentz.
Jadi, emisi terstimulasi berkurang dengan inikoefisien. Dalam prakteknya, pelebaran bentuk garis karena pelebaran tidak homogen juga dapat terjadi, terutama karena efek Doppler yang dihasilkan dari distribusi kecepatan dalam gas pada suhu tertentu. Ini memiliki bentuk Gaussian dan mengurangi kekuatan puncak fungsi bentuk garis. Dalam masalah praktis, fungsi bentuk garis lengkap dapat dihitung dengan mengonversi fungsi bentuk garis individu yang terlibat.
Emisi terstimulasi dapat memberikan mekanisme fisik untuk amplifikasi optik. Jika sumber energi eksternal merangsang lebih dari 50% atom dalam keadaan dasar untuk bertransisi ke keadaan tereksitasi, maka apa yang disebut inversi populasi tercipta.
Ketika cahaya dengan frekuensi yang sesuai melewati media terbalik, foton diserap oleh atom yang tetap dalam keadaan dasar atau merangsang atom yang tereksitasi untuk memancarkan foton tambahan dengan frekuensi, fase, dan arah yang sama. Karena ada lebih banyak atom dalam keadaan tereksitasi daripada dalam keadaan dasar, hasilnya adalah peningkatan intensitas masukan.
Penyerapan radiasi
Dalam fisika, penyerapan radiasi elektromagnetik adalah cara energi foton diserap oleh materi, biasanya elektron atom. Dengan demikian, energi elektromagnetik diubah menjadi energi internal penyerap, seperti panas. Penurunan intensitas gelombang cahaya yang merambat dalam suatu medium karena penyerapan beberapa foton sering disebut atenuasi.
Biasanya penyerapan gelombangtidak tergantung pada intensitasnya (penyerapan linier), meskipun dalam kondisi tertentu (biasanya dalam optik) media mengubah transparansi tergantung pada intensitas gelombang yang ditransmisikan dan penyerapan saturable.
Ada beberapa cara untuk mengukur seberapa cepat dan efisien radiasi diserap di lingkungan tertentu, seperti koefisien penyerapan dan beberapa besaran turunan yang terkait erat.
Faktor redaman
Beberapa fitur faktor redaman:
- Faktor atenuasi, yang terkadang, tetapi tidak selalu, identik dengan faktor absorpsi.
- Kapasitas penyerapan molar disebut koefisien kepunahan molar. Ini adalah absorbansi dibagi dengan molaritas.
- Faktor redaman massa adalah faktor absorpsi dibagi densitas.
- Penampang serapan dan hamburan berhubungan erat dengan koefisien (penyerapan dan redaman, masing-masing).
- Kepunahan dalam astronomi setara dengan faktor redaman.
Konstanta untuk persamaan
Ukuran lain dari penyerapan radiasi adalah kedalaman penetrasi dan efek kulit, konstanta propagasi, konstanta redaman, konstanta fase dan bilangan gelombang kompleks, indeks bias kompleks dan koefisien pemadaman, permitivitas kompleks, resistivitas dan konduktivitas listrik.
Penyerapan
Penyerapan (juga disebut kerapatan optik) dan optikkedalaman (juga disebut ketebalan optik) adalah dua ukuran yang saling terkait.
Semua besaran ini mengukur, setidaknya sampai batas tertentu, seberapa banyak medium menyerap radiasi. Namun, praktisi dari berbagai bidang dan metode biasanya menggunakan nilai yang berbeda yang diambil dari daftar di atas.
Penyerapan suatu objek mengkuantifikasikan seberapa banyak cahaya datang yang diserap olehnya (bukan refleksi atau refraksi). Ini mungkin terkait dengan properti lain dari objek melalui hukum Beer–Lambert.
Pengukuran absorbansi yang tepat pada banyak panjang gelombang memungkinkan untuk mengidentifikasi zat menggunakan spektroskopi serapan, di mana sampel disinari dari satu sisi. Beberapa contoh absorpsi adalah spektroskopi ultraviolet-tampak, spektroskopi inframerah, dan spektroskopi absorpsi sinar-X.
Aplikasi
Memahami dan mengukur penyerapan elektromagnetik dan radiasi induksi memiliki banyak aplikasi.
Ketika didistribusikan, misalnya, melalui radio, itu disajikan di luar garis pandang.
Emisi terstimulasi dari laser juga terkenal.
Dalam meteorologi dan klimatologi, suhu global dan lokal sebagian bergantung pada penyerapan radiasi oleh gas atmosfer (misalnya, efek rumah kaca), serta permukaan daratan dan lautan.
Dalam kedokteran, sinar-X diserap ke berbagai tingkat oleh jaringan yang berbeda (khususnya, tulang), yang merupakan dasar untuk radiografi.
Juga digunakan dalam ilmu kimia dan material, karena berbedabahan dan molekul akan menyerap radiasi ke tingkat yang berbeda pada frekuensi yang berbeda, memungkinkan bahan untuk diidentifikasi.
Dalam optik, kacamata hitam, filter warna, pewarna, dan bahan serupa lainnya dirancang khusus untuk memperhitungkan panjang gelombang tampak yang diserap dan dalam proporsi apa. Struktur kacamata tergantung pada kondisi di mana emisi terstimulasi muncul.
Dalam biologi, organisme fotosintetik membutuhkan cahaya dengan panjang gelombang yang sesuai untuk diserap di daerah aktif kloroplas. Hal ini diperlukan agar energi cahaya dapat diubah menjadi energi kimia dalam gula dan molekul lain.
Telah diketahui dalam fisika bahwa wilayah D ionosfer Bumi secara signifikan menyerap sinyal radio yang masuk ke dalam spektrum elektromagnetik frekuensi tinggi dan terkait dengan radiasi induksi.
Dalam fisika nuklir, penyerapan radiasi nuklir dapat digunakan untuk mengukur tingkat cairan, densitometri, atau pengukuran ketebalan.
Aplikasi utama radiasi induksi adalah generator kuantum, laser, perangkat optik.
