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Lexikon der Optik: Absorption

Absorption, ein Vorgang, bei dem ein Medium dem durchlaufenden Licht Energie entzieht und es dadurch in seiner Intensität abschwächt. Die absorbierte Energie wird generell auf sehr viele Freiheitsgrade des Mediums übertragen (man bezeichnet dies als Dissipation), was zu einer Erwärmung des Mediums führt. Die Stärke der A. wird durch den Absorptionskoeffizienten gekennzeichnet.

Der Elementarprozeß der A. spielt sich an den Atomen bzw. Molekülen des Mediums ab (wir sprechen im folgenden der sprachlichen Einfachheit halber nur von Atomen). Das Strahlungsfeld bewirkt einen Übergang des Atoms von einem tieferen Energieniveau 1 (meist ist dies der Grundzustand) in ein höheres Niveau 2. Dazu ist es erforderlich, daß Resonanz vorliegt, d.h., daß die Lichtfrequenz ν mit einer atomaren Eigenfrequenz übereinstimmt. Ein Gas absorbiert daher nur bei den gleichen diskreten, für die betreffende Substanz charakteristischen Frequenzen, bei denen es auch emittiert. Bei Absorption und Emission treten somit die gleichen Spektrallinien in Erscheinung. Bei Flüssigkeiten und Festkörpern liegen dagegen die Energieniveaus so dicht, daß kontinuierliche Spektren (Spektrum) beobachtet werden. Das Strahlungsfeld verliert bei einem atomaren Übergang die Energie hν, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum bezeichnet. Die Erfahrung lehrt, daß Atome auch bei extrem kleinen Intensitäten schon in kurzen Zeiten Licht zu absorbieren vermögen (wenn dies auch nur wenige Atome tun, während die meisten unbeeinflußt bleiben). Dies läßt sich nur mit der Vorstellung verstehen, daß die Lichtenergie in Photonen lokalisiert ist, die momentan – in einem Quantensprung – absorbiert werden, wenn sie zufällig auf ein Atom treffen. Im Falle der Einstrahlung eines intensiven, kohärenten Feldes von der Art des Laserlichtes liefert jedoch das Wellenbild die angemessene Beschreibung: das Feld induziert an den Absorberatomen elektrische Dipolmomente, die mit einer bestimmten Phasenlage zum Feld schwingen. Dadurch kommt es zu solchen Effekten wie dem Photonenecho und der selbstinduzierten Transparenz (kohärente Wechselwirkung). Die A. erscheint so als ein kontinuierlicher Prozeß, nämlich die Arbeitsleistung des Feldes an den induzierten Dipolmomenten.

Zu betonen ist, daß von eigentlicher A. nur dann gesprochen werden kann, wenn das Atom die aufgenommene Energie hν in Form von Relaxationsprozessen an seine Umgebung abgibt. Solange dies nicht geschehen ist, vermag es diese Energie durch induzierte Emission an das Strahlungsfeld zurückzugeben.

Lineare A. Bei nicht zu hoher Intensität des eingestrahlten Lichtes erfolgt durch den Absorptionsvorgang nur eine geringe Besetzung des oberen Niveaus. Demzufolge ist der Absorptionskoeffizient an unabhängig von der Intensität des Lichtes. Da die Übergangswahrscheinlichkeit für den elementaren Absorptionsakt proportional zur Intensität I ist, gilt das Lambertsche Gesetz I(x)=I0exp{-anx}, wobei I0 die Intensität der einfallenden Strahlung unmittelbar nach Durchdringen der Grenzfläche und I(x) die Intensität in der Eindringtiefe x (in Strahlrichtung) bedeuten. Dieses Gesetz wurde zuerst von Bouguer experimentell gefunden und von Lambert theoretisch begründet und wird daher auch Bouguer-Lambertsches Gesetz genannt.

Nichtlineare A. Ist die Intensität des eingestrahlten Lichtes sehr groß, so wird das obere Niveau durch die A. in stärkerem Maße bevölkert. Entsprechend befindet sich – verglichen mit der linearen A. – eine geringe Zahl von Atomen im Grundzustand und steht so für eine A. zur Verfügung. Die Folge davon ist eine Verringerung des Absorptionskoeffizienten mit zunehmender Lichtintensität I. Der Absorber wird demnach mit wachsender Intensität immer durchsichtiger. Man bezeichnet diesen Effekt als Sättigung der A. und spricht daher auch von sättigbaren Absorbern, die durch intensive Strahlung "aufgeschaltet" werden. Die Abhängigkeit des totalen Absorptionskoeffizienten a0(I) von I ist bei homogener Linienverbreiterung (Linienbreite) von der Form a0(I)=a0lin/(1+I/IS), während sie bei inhomogener Linienverbreiterung a0(I)=a0lin(1+I/IS)-1/2 lautet. Dabei ist a0lin der totale Absorptionskoeffizient für lineare A. Die für die absorbierende Substanz charakteristische Größe IS heißt Sättigungsintensität. Sind am Absorptionsvorgang außer den bisher betrachteten zwei Niveaus noch weitere beteiligt, so treten kompliziertere Abhängigkeiten des Absorptionskoeffizienten von I auf. Letzterer kann in speziellen Fällen auch mit zunehmendem I anwachsen, so daß der Absorber zugeschaltet wird. Substanzen, die nichtlineare A. zeigen – darunter fallen im besonderen organische Farbstoffe – eignen sich als nichtlineare Filter. Sie spielen eine große Rolle bei Pikosekundenlasern und gütegeschalteten Lasern. Schließlich kann bei hohen Lichtintensitäten auch Mehrphotonenabsorption auftreten.

Kenngrößen der A. (in der Nomenklatur nach DIN). Die wichtigste von ihnen ist der Absorptionskoeffizient. Unter dem Absorptionsgrad α, in der älteren Literatur auch Absorptionsvermögen genannt, versteht man das Verhältnis der absorbierten Strahlungsleistung zur auffallenden. Dagegen ist der spektrale Reinabsorptionsgrad αi(λ) einer homogenen nicht streuenden Schicht definiert als das Verhältnis der spektralen Strahlungsleistung, die zwischen der Eintritts- und der Austrittsfläche der Schicht absorbiert wird, zu der spektralen Strahlungsleistung, die durch die Eintrittsfläche eingedrungen ist. Dabei bedeutet λ die Vakuumwellenlänge des Lichtes. Es gilt daher αi(λ)=(φleinlaus)/φlein, wobei φlein die eingetretene und φlaus die ausgetretene spektrale Strahlungsleistung bezeichnen. Entsprechend ist der Transmissionsgrad τ definiert als das Verhältnis der durchgelassenen Strahlungsleistung zur auffallenden. Statt von Transmissionsgrad spricht man gelegentlich auch von Durchlaßgrad oder Durchlässigkeit. Andererseits ist der spektrale Reintransmissionsgrad τi(λ) einer homogenen nicht streuenden Schicht das Verhältnis der ausgetretenen spektralen Strahlungsleistung zur eingetretenen: τi(λ)=φlauslein. Offenbar gilt αi(λ)+τi(λ)=1. Als spektrales dekadisches Absorptionsmaß oder dekadische Extinktion bezeichnet man die Größe Ai(λ)=-lgτi(λ). Hierfür ist auch das Formelzeichen E(λ) weiterhin üblich. Nach dem Lambertschen Gesetz nimmt τi(λ) für homogene isotrope Medien exponentiell mit der Dicke der durchstrahlten Schicht ab. Daher besteht zwischen den Extinktionen zweier Schichten der Dicke d1 bzw. d2 der Zusammenhang E(λ)d2=E(λ)d1·d2/d1.

Verwendet man an Stelle des dekadischen den natürlichen Logarithmus, so erhält man das spektrale natürliche Absorptionsmaß.

Unter der spektralen Absorptionszahl versteht man den Imaginärteil des komplexen Brechungsindexes (Absorptionskoeffizient).

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