Monokromatiskt ljus

Teknik som använder monokromatiskt ljus har ett brett tillämpningsområde, från astrofysik och astronomi till rättsmedicinsk vetenskap. Termen monokromatisk kommer från de grekiska orden monos, som betyder en eller enda, och chromos, som betyder färg. Monokromatiskt ljus, eller enfärgat ljus, är i huvudsak elektromagnetisk strålning som härrör från fotonemissioner från atomer. Fotoner sprider sig som energivågor av olika längd och energinivåer. Energinivåerna bestämmer ljusets frekvens, och längden på en våg bestämmer dess färg. De band av ljusvåglängder som människor kan se kallas synligt ljus.

Visibelt ljus omfattar rött ljus (i den lägre energinivån i det elektromagnetiska spektrumet) och violett ljus i den högre synliga energinivån i det elektromagnetiska spektrumet. När ljuset sprider sig genom olika medier interagerar det med atomer som finns i molekyler, t.ex. atmosfäriska gaser, vatten och organiskt material. Dessa interaktioner kallas atomövergångar och består av emission eller absorption av specifika våglängder (eller energipaket). Den särskilda strukturen hos isotoper (atomer eller molekyler av ett grundämne i det periodiska systemet) samt strukturen hos komplexa molekyler (som innehåller mer än ett grundämne) definierar deras fysikalisk-kemiska egenskaper. Dessa egenskaper avgör vilka våglängder som absorberas och vilka som avges. Atomer absorberar och avger ljus i energipaket som kallas kvanta. Absorption sker när ljuset exciterar atomer och får elektroner att plötsligt hoppa till specifika yttre banor. Detta är inte en progressiv rörelse mellan banor, utan en plötslig förändring av energitillståndet genom vilken en viss energikvant absorberas.

Emission sker på det omvända sättet, vilket resulterar i att de absorberade kvanterna frigörs. Monokromatiskt ljus och laserteknik utnyttjar dessa atomövergångar samt en annan atomegenskap som kallas grundtillståndsenergi. Med grundtillståndsenergi avses elektronernas tendens att återgå till den lägsta energinivån och därmed genomgå spontan emission av energikvanterna.

En monokromatisk ljusstråle kännetecknas av sin ljusstyrka eller ljusintensitet, utbredningsriktning och färg (alla synliga egenskaper) och av sitt polarisationstillstånd (en osynlig egenskap). Ljusvågor oscillerar, eller svänger fram och tillbaka, vinkelrätt mot utbredningsriktningen. Om en ljusvåg till exempel utbreder sig horisontellt svänger den vertikalt. Det bästa exemplet på monokromatiskt ljus är en laserstråle. Ett laserljus är resultatet av en atomövergång med en specifik enkel våglängd, vilket resulterar i en monokromatisk ljusstråle.

När ett monokromatiskt ljus riktas mot ett ämne eller material inducerar det övergångar som är karakteristiska för de kemiska egenskaperna hos de ingående elementen i ett sådant material. Optiska spektroskopiinstrument registrerar topparna och dalarna i de resulterande vågljusen i en spektrometer som mäter förändringarna i frekvens och intensitet av dessa övergångar. De resulterande vågmönstren visar provets kemiska sammansättning. Skanningsmonokromatorer är optiska instrument som sprider ljuset, vilket gör det möjligt att skanna kriminaltekniska prover eller bevismaterial med hjälp av en våglängd (eller ljusfärg) i taget och skanna i hela spektralområdet. Batteridrivna ultravioletta monokromatiska apparater används för att söka efter bevismaterial som inte är lätt att upptäcka med blotta ögat på brottsplatser. De gör det möjligt för undersökaren att visualisera dolda blodfläckar, fibrer, fingeravtryck och skador som finns strax under huden på lik.

Kreditkort, valuta och viktiga dokument märks ofta med intryckta hologram på säkerhetsstämplingsfolier, som skapas av monokromatiska laserstrålar. Säkerhetsstandardholografi utgör den första generationen av en säkerhetsteknik som kallas optiskt variabla anordningar (OVD). Det finns andra icke-holografiska OVD-tekniker som kan detekteras i märkta material med hjälp av anordningar för ultraviolett ljus.