L'émission stimulée est le processus par lequel un photon entrant d'une certaine fréquence peut interagir avec un électron atomique excité (ou un autre état moléculaire excité), le faisant chuter à un niveau d'énergie inférieur. L'énergie libérée est transférée au champ électromagnétique, créant un nouveau photon avec une phase, une fréquence, une polarisation et une direction de mouvement identiques aux photons de l'onde incidente. Et cela se produit contrairement au rayonnement spontané, qui fonctionne à des intervalles aléatoires, sans tenir compte du champ électromagnétique environnant.
Conditions d'obtention de l'émission stimulée
Le processus est identique dans sa forme à l'absorption atomique, dans laquelle l'énergie du photon absorbé provoque une transition atomique identique mais opposée: de l'inférieur àniveau d'énergie plus élevé. Dans des environnements normaux en équilibre thermique, l'absorption dépasse l'émission stimulée car il y a plus d'électrons dans les états d'énergie inférieure que dans les états d'énergie supérieure.
Cependant, lorsqu'une inversion de population est présente, le taux d'émission stimulée dépasse le taux d'absorption et une amplification optique pure peut être obtenue. Un tel milieu amplificateur, associé à un résonateur optique, constitue la base d'un laser ou d'un maser. En l'absence de mécanisme de rétroaction, les amplificateurs laser et les sources superluminescentes fonctionnent également sur la base d'une émission stimulée.
Quelle est la principale condition pour obtenir une émission stimulée ?
Les électrons et leurs interactions avec les champs électromagnétiques sont importants pour notre compréhension de la chimie et de la physique. Dans la vision classique, l'énergie d'un électron tournant autour d'un noyau atomique est plus grande pour les orbites éloignées du noyau atomique.
Lorsqu'un électron absorbe de l'énergie lumineuse (photons) ou de l'énergie thermique (phonons), il reçoit ce quantum incident d'énergie. Mais les transitions ne sont autorisées qu'entre des niveaux d'énergie discrets, tels que les deux illustrés ci-dessous. Il en résulte des raies d'émission et d'absorption.
Aspect énergétique
Ensuite, nous parlerons de la condition principale pour obtenir un rayonnement induit. Lorsqu'un électron est excité d'un niveau d'énergie inférieur à un niveau supérieur, il est peu probable qu'il le reste pour toujours. Un électron dans un état excité peut se désintégrer à un niveau inférieurétat énergétique inoccupé, selon une certaine constante de temps caractérisant cette transition.
Lorsqu'un tel électron se désintègre sans influence extérieure, en émettant un photon, on parle d'émission spontanée. La phase et la direction associées à un photon émis sont aléatoires. Ainsi, un matériau avec de nombreux atomes dans un tel état excité peut entraîner un rayonnement qui a un spectre étroit (centré autour d'une seule longueur d'onde de lumière), mais les photons individuels n'auront pas de relations de phase communes et seront également émis dans des directions aléatoires. C'est le mécanisme de la fluorescence et de la génération de chaleur.
Le champ électromagnétique externe à la fréquence associée à la transition peut affecter l'état mécanique quantique de l'atome sans absorption. Lorsqu'un électron dans un atome effectue une transition entre deux états stationnaires (dont aucun ne montre un champ dipolaire), il entre dans un état de transition qui a un champ dipolaire et agit comme un petit dipôle électrique qui oscille à une fréquence caractéristique.
En réponse à un champ électrique externe à cette fréquence, la probabilité d'une transition d'électron vers un tel état augmente considérablement. Ainsi, le taux de transitions entre deux états stationnaires dépasse l'amplitude de l'émission spontanée. La transition d'un état d'énergie plus élevé à un état d'énergie plus faible crée un photon supplémentaire avec la même phase et la même direction que le photon incident. C'est le processus d'émission forcée.
Ouverture
L'émission stimulée était la découverte théorique d'Einstein dans le cadre de l'ancienne théorie quantique, dans laquelle le rayonnement est décrit en termes de photons, qui sont des quanta du champ électromagnétique. Un tel rayonnement peut également se produire dans des modèles classiques sans référence aux photons ou à la mécanique quantique.
L'émission stimulée peut être modélisée mathématiquement étant donné un atome qui peut être dans l'un des deux états d'énergie électronique, un état de niveau inférieur (éventuellement un état fondamental) et un état excité, avec des énergies E1 et E2 respectivement.
Si un atome est dans un état excité, il peut se désintégrer dans un état inférieur par un processus d'émission spontanée, libérant la différence d'énergie entre les deux états sous forme de photon.
Alternativement, si un atome à l'état excité est perturbé par un champ électrique de fréquence ν0, il peut émettre un photon supplémentaire de même fréquence et en phase, augmentant ainsi le champ externe, laissant l'atome dans un état d'énergie plus faible. Ce processus est connu sous le nom d'émission stimulée.
Proportionnalité
La constante de proportionnalité B21 utilisée dans les équations pour déterminer l'émission spontanée et induite est connue sous le nom de coefficient d'Einstein B pour cette transition particulière, et ρ(ν) est la densité de rayonnement du champ incident à la fréquence ν. Ainsi, le taux d'émission est proportionnel au nombre d'atomes dans l'état excité N2 et à la densité de photons incidents. Telle est l'essencephénomènes d'émission stimulée.
Dans le même temps, le processus d'absorption atomique aura lieu, qui supprime l'énergie du champ, élevant les électrons de l'état inférieur vers l'état supérieur. Sa vitesse est déterminée par une équation essentiellement identique.
Ainsi, la puissance nette est libérée dans un champ électrique égal à l'énergie d'un photon h fois ce taux de transition net. Pour que ce soit un nombre positif, indiquant l'émission totale spontanée et induite, il doit y avoir plus d'atomes dans l'état excité que dans le niveau inférieur.
Différences
Les propriétés de l'émission stimulée par rapport aux sources lumineuses conventionnelles (qui dépendent de l'émission spontanée) sont que les photons émis ont la même fréquence, phase, polarisation et direction de propagation que les photons incidents. Ainsi, les photons impliqués sont mutuellement cohérents. Par conséquent, lors de l'inversion, une amplification optique du rayonnement incident se produit.
Changement d'énergie
Bien que l'énergie générée par l'émission stimulée soit toujours à la fréquence exacte du champ qui l'a stimulée, la description ci-dessus du calcul de la vitesse ne s'applique qu'à l'excitation à une fréquence optique spécifique, la force de l'émission stimulée (ou spontanée) l'émission diminuera en fonction de ce qu'on appelle la forme de la raie. En considérant uniquement l'élargissement uniforme affectant la résonance atomique ou moléculaire, la fonction de forme de la raie spectrale est décrite comme une distribution de Lorentz.
Ainsi, l'émission stimulée est réduite par cettecoefficient. En pratique, un élargissement de la forme des raies dû à un élargissement inhomogène peut également avoir lieu, principalement en raison de l'effet Doppler résultant de la répartition des vitesses dans le gaz à une certaine température. Cela a une forme gaussienne et réduit la force de crête de la fonction de forme de ligne. Dans un problème pratique, la fonction de forme de ligne complète peut être calculée en convoluant les fonctions de forme de ligne individuelles impliquées.
L'émission stimulée peut fournir un mécanisme physique d'amplification optique. Si une source d'énergie externe stimule plus de 50 % des atomes de l'état fondamental pour passer à un état excité, alors ce qu'on appelle une inversion de population est créée.
Lorsque la lumière de la fréquence appropriée traverse un milieu inversé, les photons sont soit absorbés par les atomes qui restent à l'état fondamental, soit stimulent les atomes excités pour qu'ils émettent des photons supplémentaires de même fréquence, phase et direction. Puisqu'il y a plus d'atomes dans l'état excité que dans l'état fondamental, le résultat est une augmentation de l'intensité d'entrée.
Absorption des radiations
En physique, l'absorption du rayonnement électromagnétique est la manière dont l'énergie d'un photon est absorbée par la matière, généralement les électrons d'un atome. Ainsi, l'énergie électromagnétique est convertie en énergie interne de l'absorbeur, telle que la chaleur. La diminution de l'intensité d'une onde lumineuse se propageant dans un milieu due à l'absorption de certains de ses photons est souvent appelée atténuation.
Normalement absorption des ondesne dépend pas de leur intensité (absorption linéaire), bien que dans certaines conditions (généralement en optique), le milieu change de transparence en fonction de l'intensité des ondes transmises et de l'absorption saturable.
Il existe plusieurs façons de quantifier la rapidité et l'efficacité avec lesquelles le rayonnement est absorbé dans un environnement donné, comme le coefficient d'absorption et certaines quantités dérivées étroitement liées.
Facteur d'atténuation
Plusieurs fonctions de facteur d'atténuation:
- Facteur d'atténuation, qui est parfois, mais pas toujours, synonyme de facteur d'absorption.
- La capacité d'absorption molaire est appelée coefficient d'extinction molaire. C'est l'absorbance divisée par la molarité.
- Le facteur d'atténuation massique est le facteur d'absorption divisé par la densité.
- Les sections efficaces d'absorption et de diffusion sont étroitement liées aux coefficients (absorption et atténuation, respectivement).
- L'extinction en astronomie équivaut au facteur d'amortissement.
Constante pour les équations
D'autres mesures de l'absorption du rayonnement sont la profondeur de pénétration et l'effet de peau, la constante de propagation, la constante d'atténuation, la constante de phase et le nombre d'onde complexe, l'indice de réfraction complexe et le coefficient d'extinction, la permittivité complexe, la résistivité et la conductivité électriques.
Absorption
Absorption (également appelée densité optique) et optiqueprofondeur (également appelée épaisseur optique) sont deux mesures interdépendantes.
Toutes ces grandeurs mesurent, au moins dans une certaine mesure, combien un milieu absorbe le rayonnement. Cependant, les praticiens de différents domaines et méthodes utilisent généralement des valeurs différentes tirées de la liste ci-dessus.
L'absorption d'un objet quantifie la quantité de lumière incidente qu'il absorbe (au lieu de la réflexion ou de la réfraction). Cela peut être lié à d'autres propriétés de l'objet par la loi de Beer-Lambert.
Des mesures précises de l'absorbance à de nombreuses longueurs d'onde permettent d'identifier une substance à l'aide de la spectroscopie d'absorption, où l'échantillon est éclairé d'un côté. Quelques exemples d'absorption sont la spectroscopie ultraviolet-visible, la spectroscopie infrarouge et la spectroscopie d'absorption des rayons X.
Demande
Comprendre et mesurer l'absorption des rayonnements électromagnétiques et induits a de nombreuses applications.
Lorsqu'il est distribué, par exemple, par radio, il est présenté hors de la ligne de vue.
L'émission stimulée des lasers est également bien connue.
En météorologie et en climatologie, les températures globales et locales dépendent en partie de l'absorption du rayonnement par les gaz atmosphériques (par exemple, l'effet de serre), ainsi que des surfaces terrestres et océaniques.
En médecine, les rayons X sont absorbés à des degrés divers par différents tissus (en particulier les os), ce qui est à la base de la radiographie.
Également utilisé en chimie et en science des matériaux, car différentles matériaux et les molécules absorberont le rayonnement à différents degrés à différentes fréquences, ce qui permettra d'identifier le matériau.
En optique, les lunettes de soleil, les filtres de couleur, les colorants et autres matériaux similaires sont spécialement conçus pour prendre en compte les longueurs d'onde visibles qu'ils absorbent et dans quelles proportions. La structure des verres dépend des conditions dans lesquelles apparaît l'émission stimulée.
En biologie, les organismes photosynthétiques ont besoin d'une lumière de la longueur d'onde appropriée pour être absorbée dans la région active des chloroplastes. Ceci est nécessaire pour que l'énergie lumineuse puisse être convertie en énergie chimique dans les sucres et autres molécules.
Il est connu en physique que la région D de l'ionosphère terrestre absorbe de manière significative les signaux radio qui tombent dans le spectre électromagnétique à haute fréquence et sont associés au rayonnement induit.
En physique nucléaire, l'absorption du rayonnement nucléaire peut être utilisée pour mesurer les niveaux de liquide, la densitométrie ou les mesures d'épaisseur.
Les principales applications du rayonnement induit sont les générateurs quantiques, les lasers, les appareils optiques.
