Monochromatisches Licht

Technologien, die monochromatisches Licht verwenden, haben ein breites Anwendungsspektrum, das von der Astrophysik und Astronomie bis hin zur Forensik reicht. Der Begriff monochromatisch leitet sich von den griechischen Wörtern monos, d. h. eins oder einzig, und chromos, d. h. Farbe, ab. Monochromatisches Licht oder einfarbiges Licht ist im Wesentlichen eine elektromagnetische Strahlung, die aus der Emission von Photonen aus Atomen entsteht. Photonen breiten sich als Energiewellenfronten mit unterschiedlichen Längen und Energieniveaus aus bzw. bewegen sich. Die Energieniveaus bestimmen die Frequenz des Lichts, und die Länge einer Welle bestimmt ihre Farbe. Die Wellenlängenbereiche des Lichts, die der Mensch sehen kann, werden als sichtbares Licht bezeichnet.

Sichtbares Licht umfasst rotes Licht (auf dem niedrigeren Energieniveau des elektromagnetischen Spektrums) und violettes Licht auf dem höheren sichtbaren Energieniveau des elektromagnetischen Spektrums. Wenn sich Licht durch verschiedene Medien ausbreitet, interagiert es mit den Atomen in Molekülen wie atmosphärischen Gasen, Wasser und organischer Materie. Diese Wechselwirkungen werden als atomare Übergänge bezeichnet und bestehen in der Emission oder Absorption bestimmter Wellenlängen (oder Energiepakete). Die besondere Struktur von Isotopen (Atome oder Moleküle eines Elements des Periodensystems) sowie die Struktur komplexer Moleküle (die mehr als ein Element enthalten) bestimmt deren physikalisch-chemische Eigenschaften. Diese Eigenschaften bestimmen, welche Wellenlängen absorbiert und welche emittiert werden. Die Absorption und Emission von Licht durch Atome erfolgt in Energiepaketen, die als Quanten bezeichnet werden. Die Absorption erfolgt, wenn das Licht die Atome anregt, so dass die Elektronen plötzlich auf bestimmte äußere Bahnen springen. Dabei handelt es sich nicht um eine fortschreitende Bewegung zwischen den Bahnen, sondern um einen plötzlichen Wechsel des Energiezustands, durch den ein bestimmtes Energiequant absorbiert wird.

Die Emission erfolgt in umgekehrter Weise, was zur Freisetzung der absorbierten Quanten führt. Monochromatisches Licht und Lasertechnologien machen sich diese atomaren Übergänge sowie eine weitere atomare Eigenschaft zunutze, die als Grundzustandsenergie bekannt ist. Die Grundzustandsenergie bezieht sich auf die Tendenz der Elektronen, auf das niedrigste Energieniveau zurückzukehren und somit spontan Energiequanten zu emittieren.

Ein monochromatischer Lichtstrahl ist durch seine Helligkeit oder Lichtintensität, seine Ausbreitungsrichtung und seine Farbe (alles sichtbare Merkmale) sowie durch seinen Polarisationszustand (ein unsichtbares Merkmal) gekennzeichnet. Lichtwellen oszillieren, d. h. sie schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung hin und her. Wenn sich eine Lichtwelle zum Beispiel horizontal ausbreitet, schwingt sie vertikal. Das beste Beispiel für monochromatisches Licht ist ein Laserstrahl. Laserlicht entsteht durch einen atomaren Übergang mit einer einzigen spezifischen Wellenlänge, was zu einem monochromatischen Lichtstrahl führt.

Wenn ein monochromatisches Licht auf eine Substanz oder ein Material gerichtet wird, induziert es Übergänge, die für die chemischen Eigenschaften der konstituierenden Elemente dieses Materials charakteristisch sind. Optische Spektroskopiegeräte zeichnen die Spitzen und Täler der entstehenden Lichtwellen in einem Spektrometer auf, das die Frequenz- und Intensitätsänderungen dieser Übergänge misst. Die daraus resultierenden Wellenmuster geben Aufschluss über die chemische Zusammensetzung der Probe. Scanning-Monochromatoren sind optische Instrumente, die das Licht streuen und so das Scannen forensischer Proben oder Beweismittel mit jeweils einer Wellenlänge (oder Lichtfarbe) ermöglichen und den gesamten Spektralbereich abtasten. Batteriebetriebene ultraviolette monochromatische Geräte werden verwendet, um an Tatorten nach Beweisen zu suchen, die mit dem bloßen Auge nicht leicht zu erkennen sind. Sie ermöglichen es dem Untersucher, verborgene Blutflecken, Fasern, Fingerabdrücke und Läsionen, die sich direkt unter der Haut von Leichen befinden, sichtbar zu machen.

Kreditkarten, Geld und wichtige Dokumente werden häufig mit aufgedruckten Hologrammen auf Sicherheitsstempelfolien markiert, die durch monochromatische Laserstrahlen erzeugt werden. Die Sicherheitsholografie stellt die erste Generation einer Sicherheitstechnologie dar, die als optisch variable Geräte (OVDs) bekannt ist. Es gibt auch andere, nicht holografische OVD-Technologien, die in markierten Materialien mit ultraviolettem Licht nachweisbar sind.