Monokromaattinen valo

Monokromaattista valoa käyttävillä tekniikoilla on monenlaisia sovelluksia astrofysiikasta ja tähtitieteestä rikostutkimukseen. Termi monokromaattinen tulee kreikan sanoista monos, joka tarkoittaa yhtä tai ainoaa, ja chromos, joka tarkoittaa väriä. Monokromaattinen valo eli yksivärinen valo on pohjimmiltaan sähkömagneettista säteilyä, joka on peräisin atomien fotoniemissioista. Fotonit etenevät eli kulkevat eripituisina ja eri energiatasoilla olevina energia-aaltorintamina. Energiatasot määräävät valon taajuuden, ja aallon pituus määrää sen värin. Valon aallonpituuskaistoja, jotka ihminen voi nähdä, kutsutaan näkyväksi valoksi.

Näkyvään valoon kuuluu punaista valoa (sähkömagneettisen spektrin alemmalla energiatasolla) ja violettia valoa sähkömagneettisen spektrin korkeammalla näkyvällä energiatasolla. Kun valo etenee eri väliaineissa, se on vuorovaikutuksessa molekyyleissä, kuten ilmakehän kaasuissa, vedessä ja orgaanisessa aineessa, olevien atomien kanssa. Näitä vuorovaikutuksia kutsutaan atomien siirtymiksi, ja ne koostuvat tiettyjen aallonpituuksien (tai energiapakettien) emissiosta tai absorptiosta. Isotooppien (jaksollisen järjestelmän yhden alkuaineen atomit tai molekyylit) sekä monimutkaisten molekyylien (jotka sisältävät useampia alkuaineita) rakenne määrittelee niiden fysikaalis-kemialliset ominaisuudet. Tällaiset ominaisuudet määräävät, mitkä aallonpituudet absorboituvat ja mitkä emittoituvat. Valon absorptio ja emissio atomeissa tapahtuu energiapaketteina, joita kutsutaan kvanteiksi. Absorptio tapahtuu, kun valo herättää atomeja, jolloin elektronit hyppäävät yhtäkkiä tietyille ulkoradoille. Tämä ei ole asteittaista liikettä ratojen välillä, vaan äkillinen energiatilan muutos, jonka seurauksena tietty energiakvantti absorboituu.

Emissio tapahtuu päinvastoin, jolloin absorboituneet kvantit vapautuvat. Monokromaattisessa valossa ja lasertekniikassa hyödynnetään näitä atomin siirtymiä sekä toista atomin ominaisuutta, joka tunnetaan nimellä perustilan energia. Perustilan energialla tarkoitetaan elektronien taipumusta palata alimmalle energiatasolle, jolloin tapahtuu energiakvanttien spontaani emissio.

Monokromaattiselle valonsäteelle on ominaista sen kirkkaus tai valon voimakkuus, etenemissuunta ja väri (kaikki näkyvät ominaisuudet) sekä polarisaatiotila (näkymätön ominaisuus). Valoaallot värähtelevät eli heiluvat edestakaisin kohtisuoraan etenemissuuntaan nähden. Jos valoaalto esimerkiksi etenee vaakasuunnassa, se värähtelee pystysuunnassa. Paras esimerkki monokromaattisesta valosta on lasersäde. Laservalo syntyy yhdestä atomin siirtymästä, jolla on tietty yksittäinen aallonpituus, mikä johtaa monokromaattiseen valonsäteeseen.

Kun monokromaattinen valo kohdistetaan aineeseen tai materiaaliin, se saa aikaan siirtymiä, jotka ovat ominaisia tällaisen materiaalin sisältämien alkuaineiden kemiallisille ominaisuuksille. Optiset spektroskopialaitteet tallentavat syntyvien aaltovalojen huiput ja notkahdukset spektrometriin, joka mittaa näiden siirtymien taajuuden ja intensiteetin muutoksia. Tuloksena olevat aaltokuviot osoittavat näytteen kemiallisen koostumuksen. Skannausmonokromaattorit ovat optisia instrumentteja, jotka hajottavat valoa ja mahdollistavat rikosteknisten näytteiden tai todisteiden skannaamisen käyttämällä yhtä aallonpituutta (tai valon väriä) kerrallaan ja skannaamalla koko spektrialueen. Paristokäyttöisiä ultraviolettimonokromaattisia laitteita käytetään rikospaikoilla sellaisten todisteiden etsimiseen, joita ei ole helppo havaita paljain silmin. Niiden avulla tutkija saa näkyviin piilossa olevat verijäljet, kuidut, sormenjäljet ja vauriot, jotka ovat juuri ja juuri ruumiin ihon alla.

Luottokortit, valuutta ja tärkeät asiakirjat merkitään usein monokromaattisilla lasersäteillä luoduilla turvatarkastusleimauskelmuilla painetuilla hologrammeilla. Turvallisuusstandardin mukainen holografia edustaa ensimmäisen sukupolven turvatekniikkaa, joka tunnetaan nimellä optisesti muuttuvat laitteet (OVD). Muitakin ei-holografisia OVD-tekniikoita on olemassa, ja ne ovat havaittavissa merkityissä materiaaleissa ultraviolettivalolaitteilla.