Ensanchamiento espectral

El ensanchamiento espectral se refiere al aumento del rango de longitudes de onda de la radiación emitida debido a diversos procesos físicos. Este fenómeno es importante en una variedad de campos, como los láseres, la óptica, la resonancia magnética y los semiconductores.

El ensanchamiento homogéneo es un fenómeno por el cual una línea espectral se ensancha debido a efectos que afectan por igual a todos los átomos (o sistemas ópticos en general). ^{[ 1 ]}

En teoría, la radiación emitida/absorbida por estos sistemas será monocromática. El ensanchamiento homogéneo provoca que estas líneas adquieran un perfil lorentziano con un ancho de línea espectral asociado . Las siguientes secciones abordan el ensanchamiento dentro de las líneas atómicas.

En muchos sólidos, el entorno local de cada sistema individual puede ser diferente. Por ejemplo, en cristales dopados con tierras raras , cada ion puede experimentar campos eléctricos ligeramente distintos y las frecuencias de sus transiciones pueden variar debido al efecto Stark . Estas variaciones suelen producirse de forma continua según alguna distribución de probabilidad, lo que significa que estas variaciones individuales constituyen un ensanchamiento de la característica combinada. ^{[ 2 ]}

En caso de que un perfil lorentziano se ensanche debido a una dispersión gaussiana, se observará un perfil de Voigt . El límite de un perfil lorentziano estrecho que se ensancha significativamente es un perfil gaussiano.

Si el ensanchamiento inhomogéneo predomina sobre el homogéneo, se puede utilizar la técnica de quemado de agujeros espectrales para extraer una característica espectral de sistemas locales (es decir, una clase de sistemas que no presentan ensanchamiento inhomogéneo o este es mínimo). Este enfoque se utiliza típicamente en materiales dopados con tierras raras que exhiben anchos de línea homogéneos estrechos (por ejemplo, la línea ⁵ D ₀ - ⁷ F _{0 del} europio trivalente dopado en Y ₂ SiO ₅ tiene un ancho de línea homogéneo de 122 Hz y 0,63 GHz cuando se enfría a 2 K). ^{[ 3 ]}

En física láser, el ensanchamiento es un fenómeno físico que afecta la forma de la línea espectroscópica del perfil de emisión láser. La emisión láser se debe a la excitación y posterior relajación de un sistema cuántico (átomo, molécula , ion, etc.) entre un estado excitado (de mayor energía) y uno de menor energía. Estos estados pueden considerarse como los autoestados del operador de energía. La diferencia de energía entre estos estados es proporcional a la frecuencia/longitud de onda del fotón emitido. Dado que esta diferencia de energía fluctúa, la frecuencia/longitud de onda de la emisión macroscópica (el haz) tendrá un cierto ancho (es decir, se ensanchará con respecto a la emisión monocromática ideal).

Dependiendo de la naturaleza de la fluctuación, puede haber dos tipos de ensanchamiento. Si la fluctuación en la frecuencia/longitud de onda se debe a un fenómeno que es el mismo para cada emisor cuántico, hay un ensanchamiento homogéneo, mientras que si cada emisor cuántico tiene un tipo diferente de fluctuación, el ensanchamiento es inhomogéneo .

Ejemplos de situaciones en las que la fluctuación es la misma para cada sistema (ensanchamiento homogéneo) son el ensanchamiento natural o de tiempo de vida , y el ensanchamiento por colisión o presión . En estos casos, cada sistema se ve afectado "en promedio" de la misma manera (por ejemplo, por las colisiones debidas a la presión).

La situación más frecuente en sistemas de estado sólido donde la fluctuación es diferente para cada sistema ( ensanchamiento inhomogéneo ) se da cuando, debido a la presencia de dopantes , el campo eléctrico local es diferente para cada emisor, y por lo tanto el efecto Stark cambia los niveles de energía de manera inhomogénea. La línea de emisión ensanchada homogéneamente tendrá un perfil lorentziano (es decir, se ajustará mejor a una función lorentziana), mientras que la emisión ensanchada inhomogéneamente tendrá un perfil gaussiano . Uno o más fenómenos pueden estar presentes al mismo tiempo, pero si uno tiene una fluctuación más amplia, será el responsable del carácter del ensanchamiento.

Estos efectos no se limitan a los sistemas láser, ni siquiera a la espectroscopia óptica. También son relevantes en la resonancia magnética , donde el rango de frecuencias se encuentra en la región de radiofrecuencia para la RMN , y también se pueden observar en la EPR, donde la forma de la línea se observa a una frecuencia fija ( microondas ) y en un rango de campo magnético .

En los semiconductores , si todas las oscilaciones tienen la misma frecuencia propia${\displaystyle \omega _{0}}$y el ensanchamiento en la parte imaginaria de la función dieléctrica${\displaystyle \varepsilon _ {2}(\omega)}$resultados únicamente de una amortiguación finita${\displaystyle \gamma }$Se dice que el sistema se amplía de forma homogénea y${\displaystyle \varepsilon _ {2}(\omega)}$tiene un perfil lorentziano . Si el sistema contiene muchos osciladores con frecuencias ligeramente diferentes aproximadamente${\displaystyle \omega _{0}}$Sin embargo, entonces el sistema se ensancha de forma no homogénea . ^{[ 5 ]}

• Homogeneidad (física)