Uyarılmış Emisyon ve Optik Kazanç
Uyarılmış emisyon, bir fotonun uyarılmış bir atomu özdeş bir foton yaymaya teşvik etmesini sağlar ve popülasyon inversiyonuna sahip bir ortam bunu net optik kazanca dönüştürür.
Tanım
Gelen bir fotonun uyarılmış bir atomu ikinci, özdeş bir foton yaymaya teşvik ettiği süreç ve üst enerji seviyesinde alt enerji seviyesine göre daha fazla atom bulunmasıyla elde edilen ışığın net amplifikasyonu veya optik kazanç.
Kapsam
Bu konu, lazer etkisinin mikroskobik temelini kapsamaktadır. Einstein katsayıları ile ilişkili olan absorpsiyon, spontan emisyon ve uyarılmış emisyon olmak üzere üç radyatif süreci; net amplifikasyon için popülasyon inversiyonu gerekliliğini ve bunun termal denge durumunda neden meydana gelemeyeceğini; kazanç katsayısını ve bunun inversiyon, kesit alanı ve çizgi şekline (lineshape) bağımlılığını; yüksek yoğunlukta kazancın doygunluğunu; ve inversiyonu oluşturmak ve sürdürmek için kullanılan, özellikle üç seviyeli ve dört seviyeli sistemler olmak üzere pompalama şemalarını içermektedir. Bir ortamın ışığı nasıl koherent bir şekilde yükselttiğini ortaya koymaktadır.
Temel sorular
- Absorpsiyon, spontan ve uyarılmış emisyon birbirleriyle nasıl ilişkilidir?
- Optik kazanç için popülasyon inversiyonu neden gereklidir?
- Kazanç katsayısının büyüklüğünü ne belirler?
- Pompalama şemaları popülasyon inversiyonunu nasıl oluşturur ve sürdürür?
Anahtar kavramlar
- absorpsiyon
- spontan emisyon
- uyarılmış emisyon
- Einstein katsayıları
- popülasyon inversiyonu
- kazanç katsayısı
- kazanç doygunluğu
- üç ve dört seviyeli pompalama
Temel kuramlar
- Einstein A ve B katsayıları
- Einstein, 1917'de spontan emisyon, uyarılmış emisyon ve absorpsiyon oranlarının sabit oranlarla birbirine bağlı olduğunu göstermiştir; uyarılmış emisyonun varlığı, termal radyasyonla tutarlılık gerekliliğinden kaynaklanmaktadır.
- Popülasyon inversiyonu ve kazanç doygunluğu
- Net amplifikasyon, üst seviyede alt seviyeye göre daha fazla atom gerektirir ve bu sadece pompalama ile elde edilebilir; optik yoğunluk arttıkça inversiyonu tüketir, kazancı doyurur ve lazer çıkışını stabilize eder.
Klinik önem
Optik kazanç, her tıbbi lazerin temelini oluşturmaktadır. Aynı uyarılmış emisyon fiziği, kasıtlı olarak zayıflatılmış haliyle, biyomedikal araştırmalarda kullanılan uyarılmış emisyon azaltma (STED) süper çözünürlüklü mikroskobisinin altında yatmaktadır.
Tarihçe
Einstein'ın radyasyonun kuantum teorisi üzerine 1917 tarihli makalesi, uyarılmış emisyonu ve kendi adını taşıyan katsayıları tanıtmıştır. Bu fikir, 1950'lerde Townes ile bağımsız olarak Basov ve Prokhorov'un mikrodalgaların uyarılmış emisyonu yoluyla amplifikasyonu gerçekleştirmesiyle bir cihaza dönüştürülmüştür. Bu çalışma, 1964 Nobel Fizik Ödülü ile tanınmıştır.
Öne çıkan isimler
- Albert Einstein
- Charles H. Townes
- Nikolay Basov
- Aleksandr Prokhorov
İlgili konular
Temel eserler
- salehteich2019
- svelto2010
Sıkça sorulan sorular
- Dengede olan normal bir malzeme ışığı neden yükseltemez?
- Termal dengede, daha fazla atom üst enerji seviyelerinden ziyade alt enerji seviyelerini işgal eder, bu nedenle absorpsiyon uyarılmış emisyondan daha ağır basar ve ışık zayıflatılır; amplifikasyon, pompalama ile üretilen denge dışı bir popülasyon inversiyonuna ihtiyaç duyar.
- Uyarılmış bir fotonun özelliği nedir?
- Uyarılmış emisyonla yayılan foton, uyarıcı fotonla frekans, yön, faz ve polarizasyon açısından eşleşir, bu nedenle yükseltilmiş ışık koherenttir.