Światło monochromatyczne

Technologie wykorzystujące światło monochromatyczne mają szeroki zakres zastosowań, od astrofizyki i astronomii po medycynę sądową. Termin monochromatyczne wywodzi się od greckich słów monos, oznaczającego jeden lub jedyny, oraz chromos, oznaczającego kolor. Światło monochromatyczne, lub światło jednokolorowe, jest zasadniczo promieniowaniem elektromagnetycznym pochodzącym z emisji fotonów z atomów. Fotony rozchodzą się, lub podróżują, jako fronty fal energetycznych o różnych długościach i poziomach energii. Poziomy energii określają częstotliwość światła, a długość fali określa jej kolor. Pasma długości fal świetlnych, które człowiek może zobaczyć, nazywane są światłem widzialnym.

Światło widzialne obejmuje światło czerwone (na niższym poziomie energetycznym widma elektromagnetycznego) i światło fioletowe na wyższym poziomie energetycznym widma elektromagnetycznego. Gdy światło rozchodzi się przez różne ośrodki, oddziałuje z atomami obecnymi w cząsteczkach, takich jak gazy atmosferyczne, woda i materia organiczna. Interakcje te znane są jako przejścia atomowe i polegają na emisji lub absorpcji określonych długości fal (lub pakietów energii). Szczególna struktura izotopów (atomów lub cząsteczek jednego pierwiastka z układu okresowego), jak również struktura złożonych cząsteczek (zawierających więcej niż jeden pierwiastek) określa ich właściwości fizyko-chemiczne. Takie właściwości określają, które długości fal są absorbowane, a które emitowane. Absorpcja i emisja światła przez atomy zachodzi w pakietach energii zwanych kwantami. Pochłanianie zachodzi, gdy światło wzbudza atomy, sprawiając, że elektrony nagle przeskakują na określone orbity zewnętrzne. Nie jest to stopniowy ruch między orbitami, lecz nagła zmiana stanu energetycznego, w wyniku której dany kwant energii zostaje zaabsorbowany.

Emisja zachodzi w odwrotny sposób, powodując uwolnienie zaabsorbowanych kwantów. Światło monochromatyczne i technologie laserowe wykorzystują te przejścia atomowe, jak również inną właściwość atomu znaną jako energia stanu podstawowego. Energia stanu podstawowego odnosi się do tendencji elektronów do powrotu na najniższy poziom energetyczny, co powoduje spontaniczną emisję kwantów energii.

Monochromatyczna wiązka światła charakteryzuje się jasnością lub natężeniem światła, kierunkiem rozchodzenia się i kolorem (wszystkie cechy widzialne) oraz stanem polaryzacji (cecha niewidzialna). Fale świetlne oscylują, lub kołyszą się tam i z powrotem, prostopadle do kierunku propagacji. Na przykład, jeśli fala świetlna rozchodzi się poziomo, to oscyluje pionowo. Najlepszym przykładem światła monochromatycznego jest wiązka laserowa. Światło laserowe jest wynikiem jednego przejścia atomowego o określonej pojedynczej długości fali, co daje monochromatyczną wiązkę światła.

Gdy światło monochromatyczne jest skierowane na substancję lub materiał, wywołuje ono przejścia charakterystyczne dla właściwości chemicznych elementów składowych takiego materiału. Przyrządy do spektroskopii optycznej rejestrują szczyty i niecki powstających fal świetlnych w spektrometrze, który mierzy zmiany w częstotliwości i intensywności tych przejść. Powstałe wzory fal wskazują na skład chemiczny próbki. Monochromatory skanujące są instrumentami optycznymi, które rozpraszają światło, umożliwiając skanowanie próbek kryminalistycznych lub dowodów, używając jednej długości fali (lub koloru światła) na raz, i skanują dla całego zakresu spektralnego. Zasilane bateryjnie monochromatyczne urządzenia ultrafioletowe są używane do skanowania w poszukiwaniu dowodów, które nie są łatwe do wykrycia gołym okiem na miejscach zbrodni. Pozwalają one na wizualizację przez egzaminatora ukrytych plam krwi, włókien, odcisków palców i zmian chorobowych, które znajdują się tuż pod skórą na zwłokach.

Karty kredytowe, waluta i ważna dokumentacja są często oznaczane odciśniętymi hologramami na foliach zabezpieczających, które są tworzone przez monochromatyczne promienie laserowe. Standardowa holografia bezpieczeństwa stanowi pierwszą generację technologii bezpieczeństwa, znanej jako urządzenia optycznie zmienne (OVD). Istnieją inne, nieholograficzne technologie OVD, które są wykrywalne w znakowanych materiałach za pomocą urządzeń emitujących światło ultrafioletowe.