Monochromatisch licht

Technologieën die gebruik maken van monochromatisch licht kennen een breed toepassingsgebied, van astrofysica en astronomie tot forensische wetenschap. De term monochromatisch is afgeleid van de Griekse woorden monos, dat één of enig betekent, en chromos, dat kleur betekent. Monochromatisch licht, of éénkleurig licht, is in wezen elektromagnetische straling die afkomstig is van fotonemissies van atomen. Fotonen planten zich voort, of reizen, als energiegolffronten van verschillende lengte en met verschillende energieniveaus. De energieniveaus bepalen de frequentie van het licht, en de lengte van een golf bepaalt de kleur ervan. De banden van lichtgolflengten die mensen kunnen zien, worden zichtbaar licht genoemd.

Zichtbaar licht omvat rood licht (in het lagere energieniveau van het elektromagnetische spectrum) en violet licht in het hogere zichtbare energieniveau van het elektromagnetische spectrum. Wanneer licht zich door verschillende media voortplant, treedt het in wisselwerking met atomen die aanwezig zijn in moleculen, zoals atmosferische gassen, water en organisch materiaal. Deze interacties staan bekend als atomaire overgangen, en bestaan uit de emissie of absorptie van specifieke golflengten (of energiepakketten). De bijzondere structuur van isotopen (atomen of moleculen van één element van het periodiek systeem) en de structuur van complexe moleculen (die meer dan één element bevatten) bepaalt hun fysisch-chemische eigenschappen. Deze eigenschappen bepalen welke golflengten worden geabsorbeerd en welke worden uitgezonden. Absorptie en emissie van licht door atomen vinden plaats in energiepakketten die quanta worden genoemd. Absorptie vindt plaats wanneer licht atomen prikkelt, waardoor elektronen plotseling naar bepaalde buitenste banen springen. Dit is geen geleidelijke beweging tussen banen, maar een plotselinge verandering van energietoestand waarbij een bepaalde energiekwanta wordt geabsorbeerd.

Emissie gebeurt op de omgekeerde manier, waarbij de geabsorbeerde kwanta worden vrijgegeven. Monochromatisch licht en lasertechnologieën maken gebruik van deze atomaire overgangen, alsmede van een andere atomaire eigenschap die bekend staat als grondtoestands-energie. Grondtoestandsenergie verwijst naar de neiging van elektronen om terug te keren naar het laagste energieniveau, waardoor spontane emissie van de energiekwanta optreedt.

Een monochromatische lichtstraal wordt gekenmerkt door zijn helderheid of lichtintensiteit, voortplantingsrichting en kleur (alle zichtbare kenmerken) en door zijn polarisatietoestand (een onzichtbaar kenmerk). Lichtgolven oscilleren, of zwaaien heen en weer, loodrecht op de voortplantingsrichting. Als een lichtgolf zich bijvoorbeeld horizontaal voortplant, oscilleert hij verticaal. Het beste voorbeeld van monochromatisch licht is een laserstraal. Een laserlicht is het resultaat van één atomaire overgang met één specifieke golflengte, waardoor een monochromatische lichtstraal ontstaat.

Wanneer een monochromatisch licht op een stof of materiaal wordt gericht, induceert het overgangen die kenmerkend zijn voor de chemische eigenschappen van de samenstellende elementen van dat materiaal. Optische spectroscopie-instrumenten registreren de pieken en dalen van de resulterende golflichten in een spectrometer die de veranderingen in frequentie en intensiteit van deze overgangen meet. De resulterende golfpatronen geven de chemische samenstelling van het monster aan. Scanning monochromatoren zijn optische instrumenten die het licht dispergeren, waardoor forensische monsters of bewijsmateriaal kunnen worden gescand, met gebruikmaking van één golflengte (of lichtkleur) tegelijk, en waarbij het gehele spectrale bereik wordt gescand. Op batterijen werkende ultraviolette monochromatische apparaten worden gebruikt om op plaatsen delict bewijsmateriaal op te sporen dat niet gemakkelijk met het blote oog kan worden waargenomen. Zij maken het mogelijk verborgen bloedvlekken, vezels, vingerafdrukken en laesies die zich net onder de huid van lijken bevinden, zichtbaar te maken voor de onderzoeker.

Creditcards, geld en belangrijke documentatie worden vaak gemarkeerd met ingedrukte hologrammen op veiligheidsstempelfolies, die worden gecreëerd door monochromatische laserstralen. De holografie van de veiligheidsnorm vertegenwoordigt de eerste generatie van een beveiligingstechnologie die bekend staat als optisch variabele kenmerken (OVD’s). Er bestaan andere niet-holografische OVD-technologieën, die in gemarkeerde materialen kunnen worden gedetecteerd met ultravioletlichtapparaten.