Emissão Estimulada e Ganho Óptico
A emissão estimulada permite que um fóton induza um átomo excitado a emitir um fóton idêntico, e um meio com inversão de população transforma isso em ganho óptico líquido.
Definition
O processo pelo qual um fóton incidente estimula um átomo excitado a emitir um segundo fóton idêntico, e a amplificação líquida resultante da luz, ou ganho óptico, alcançada quando mais átomos ocupam o nível superior do que o inferior.
Scope
Este tópico aborda a base microscópica da ação do laser. Inclui os três processos radiativos de absorção, emissão espontânea e emissão estimulada, relacionados pelos coeficientes de Einstein; a exigência de inversão de população para amplificação líquida e por que ela não pode ocorrer em equilíbrio térmico; o coeficiente de ganho e sua dependência da inversão, seção transversal e forma da linha; a saturação do ganho em alta intensidade; e os esquemas de bombeamento, notadamente sistemas de três e quatro níveis, usados para criar e manter a inversão. Ele estabelece como um meio amplifica a luz coerentemente.
Core questions
- Como a absorção, a emissão espontânea e a emissão estimulada se relacionam entre si?
- Por que a inversão de população é necessária para o ganho óptico?
- O que determina a magnitude do coeficiente de ganho?
- Como os esquemas de bombeamento criam e sustentam a inversão de população?
Key concepts
- absorção
- emissão espontânea
- emissão estimulada
- coeficientes de Einstein
- inversão de população
- coeficiente de ganho
- saturação de ganho
- bombeamento de três e quatro níveis
Key theories
- Coeficientes A e B de Einstein
- Einstein demonstrou em 1917 que as taxas de emissão espontânea, emissão estimulada e absorção estão ligadas por razões fixas; a existência da emissão estimulada decorre da exigência de consistência com a radiação térmica.
- Inversão de população e saturação de ganho
- A amplificação líquida requer mais átomos no nível superior do que no inferior, alcançável apenas por bombeamento; à medida que a intensidade óptica cresce, ela esgota a inversão, saturando o ganho e estabilizando a saída do laser.
Clinical relevance
O ganho óptico é a base de todo laser médico, e a mesma física de emissão estimulada, deliberadamente esgotada, sustenta a microscopia de super-resolução por depleção de emissão estimulada (STED) usada na pesquisa biomédica.
History
O artigo de Einstein de 1917 sobre a teoria quântica da radiação introduziu a emissão estimulada e os coeficientes que levam seu nome. A ideia foi transformada em um dispositivo na década de 1950, quando Townes e, independentemente, Basov e Prokhorov realizaram a amplificação por emissão estimulada de micro-ondas, trabalho reconhecido pelo Prêmio Nobel de Física de 1964.
Key figures
- Albert Einstein
- Charles H. Townes
- Nikolay Basov
- Aleksandr Prokhorov
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Seminal works
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Frequently asked questions
- Por que um material normal em equilíbrio não pode amplificar a luz?
- Em equilíbrio térmico, mais átomos ocupam níveis de energia mais baixos do que os superiores, então a absorção supera a emissão estimulada e a luz é atenuada; a amplificação precisa de uma inversão de população fora do equilíbrio produzida por bombeamento.
- O que há de especial em um fóton estimulado?
- O fóton emitido por emissão estimulada corresponde ao fóton estimulante em frequência, direção, fase e polarização, razão pela qual a luz amplificada é coerente.