Emisión Estimulada y Ganancia Óptica
La emisión estimulada permite que un fotón induzca a un átomo excitado a emitir un fotón idéntico, y un medio con inversión de población convierte esto en una ganancia óptica neta.
Definition
El proceso por el cual un fotón incidente estimula a un átomo excitado a emitir un segundo fotón idéntico, y la amplificación neta de luz resultante, o ganancia óptica, lograda cuando más átomos ocupan el nivel superior que el inferior.
Scope
Este tema cubre la base microscópica de la acción láser. Incluye los tres procesos radiativos de absorción, emisión espontánea y emisión estimulada, relacionados por los coeficientes de Einstein; el requisito de inversión de población para la amplificación neta y por qué no puede ocurrir en equilibrio térmico; el coeficiente de ganancia y su dependencia de la inversión, la sección transversal y la forma de línea; la saturación de la ganancia a alta intensidad; y los esquemas de bombeo, especialmente los sistemas de tres y cuatro niveles, utilizados para crear y mantener la inversión. Establece cómo un medio amplifica la luz de manera coherente.
Core questions
- ¿Cómo se relacionan la absorción, la emisión espontánea y la emisión estimulada?
- ¿Por qué es necesaria la inversión de población para la ganancia óptica?
- ¿Qué determina la magnitud del coeficiente de ganancia?
- ¿Cómo crean y mantienen la inversión de población los esquemas de bombeo?
Key concepts
- absorción
- emisión espontánea
- emisión estimulada
- coeficientes de Einstein
- inversión de población
- coeficiente de ganancia
- saturación de ganancia
- bombeo de tres y cuatro niveles
Key theories
- Coeficientes A y B de Einstein
- Einstein demostró en 1917 que las tasas de emisión espontánea, emisión estimulada y absorción están vinculadas por proporciones fijas; la existencia de la emisión estimulada se deriva de la exigencia de consistencia con la radiación térmica.
- Inversión de población y saturación de ganancia
- La amplificación neta requiere más átomos en el nivel superior que en el inferior, lo que solo se puede lograr mediante bombeo; a medida que la intensidad óptica aumenta, agota la inversión, saturando la ganancia y estabilizando la salida del láser.
Clinical relevance
La ganancia óptica es la base de cada láser médico, y la misma física de emisión estimulada, deliberadamente agotada, subyace a la microscopía de superresolución por agotamiento de emisión estimulada (STED) utilizada en la investigación biomédica.
History
El artículo de Einstein de 1917 sobre la teoría cuántica de la radiación introdujo la emisión estimulada y los coeficientes que llevan su nombre. La idea se convirtió en un dispositivo en la década de 1950 cuando Townes y, de forma independiente, Basov y Prokhorov lograron la amplificación por emisión estimulada de microondas, trabajo reconocido con el Premio Nobel de Física de 1964.
Key figures
- Albert Einstein
- Charles H. Townes
- Nikolay Basov
- Aleksandr Prokhorov
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Frequently asked questions
- ¿Por qué un material normal en equilibrio no puede amplificar la luz?
- En equilibrio térmico, más átomos ocupan niveles de energía inferiores que superiores, por lo que la absorción supera a la emisión estimulada y la luz se atenúa; la amplificación necesita una inversión de población de no equilibrio producida por bombeo.
- ¿Qué tiene de especial un fotón estimulado?
- El fotón emitido por emisión estimulada coincide con el fotón estimulante en frecuencia, dirección, fase y polarización, razón por la cual la luz amplificada es coherente.