Stimuloitu emissio

Stimuloidulla emissiolla tarkoitetaan optiikassa ilmiötä, jossa viritettyä elektronia häiritään (stimuloidaan) fotonilla, jolla on sopiva 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 . Stimuloitu emissio on valoa vahvistavan prosessin perusilmiö ja mahdollistaa laserin ja maserin toiminnan.

Stimuloitu emissio (laser)

Johdanto

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 .

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 :

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

missä

A₂₁= Einsteinin A vakio (rad/s)

$\lambda$=aallonpituus (m)

n= taitekerroin

g(ν)= spektrin jakaumafunktio

Katso myös

• Absorptio (sähkömagneettinen säteily)
• Optiikka
• Laser
• Spontaani emissio

Aiheesta muualla

• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod5.html#c3
• http://www.physics.uoguelph.ca/applets/Intro_physics/kisalev/java/laser/index.html (Arkistoitu – Internet Archive)