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Láser, modelo de dos niveles

Descripción:

En un sistema cuántico con dos niveles distinguidos, pueden ocurrir varios procesos al interactuar con la radiación.

1. Absorción de un cuanto de luz. En este caso, el sistema pasa del nivel de energía inferior a un nivel superior.

2. Emisión espontánea durante la transición espontánea del nivel superior al inferior. La emisión espontánea de diferentes átomos no está emparejada en fase (incoherente) y ocurre en diferentes direcciones. Las frecuencias de los cuantos absorbidos o emitidos espontáneamente están determinadas por la diferencia de energía entre los dos niveles.

hν = En – Em.

3. Radiación estimulada o inducida desde el nivel superior al inferior. Este proceso, predicho por A. Einstein (1916), es la base física del funcionamiento del láser. Con la emisión estimulada, como resultado de la interacción de un átomo con un fotón, se obtienen dos fotones gemelos completamente idénticos (coherentes), que se propagan en la misma dirección y tienen la misma frecuencia, fase y polarización desde el punto de vista de la teoría ondulatoria.

Los tres tipos de procesos ocurren en un medio de dos niveles cuando un haz de luz externo (resonante) lo atraviesa. La intensidad de dicho haz incluso se debilitará, ya que algunos de los átomos en el estado de energía superior ceden su energía y pasan al estado inferior sin la emisión de un fotón (por ejemplo, debido a colisiones inelásticas con otros átomos). Para que el haz que atraviesa el medio se amplifique, es necesario activar un proceso más: el bombeo, es decir, la transferencia forzada de átomos al estado de energía superior debido a fuentes de energía externas. Hay varios mecanismos de bombeo diferentes, pero todos estos mecanismos resultan imposibles en un sistema de dos niveles. El bombeo se realiza a través del tercer nivel de energía superior. El bombeo debe transferir el medio de dos niveles a un estado tal que el que el número de átomos en el nivel superior exceda el número de átomos en el inferior. Este estado del medio se denomina estado con una población de niveles invertida, y el medio en sí se denomina activo.

Si un haz de luz externo pasa a través de un medio con una población de nivel invertida, entonces su intensidad aumenta debido al proceso de radiación inducida. Para que se produzca la generación espontánea de luz (láser), el medio activo debe colocarse entre dos espejos paralelos con una alta reflectancia. Entonces, la radiación amplificada con cada paso a través del medio activo pasará repetidamente a través del medio después de los reflejos de los espejos, provocando una avalancha de fotones inducidos.

La simulación presenta un modelo de varios procesos cuánticos que surgen durante la propagación de un haz de luz resonante en un sistema cuántico con dos niveles de energía: absorción de fotones, emisión espontánea y estimulada. El programa le permite separar estos tres tipos de procesos y observarlos por separado. Además, el programa le permite familiarizarse con el proceso de "bombeo" forzado, cuando, debido a algún mecanismo, hay una transferencia continua de sistemas atómicos del estado de energía inferior al superior. El bombeo permite crear una población de nivel invertido en el medio, cuando el número de átomos en el nivel superior excede el número de átomos en el nivel inferior. La creación de un medio con una población de nivel invertida es una condición necesaria para el funcionamiento del láser. En el modelo simulado, el mecanismo de bombeo no está definido, pero el nivel de bombeo, es decir, la tasa de transferencia atómica al estado superior, puede cambiar. El nivel de bombeo P se expresa en algunas unidades arbitrarias.

Con la acción simultánea de todos los mecanismos, incluido el bombeo, aparece un medio que puede amplificar la luz a una frecuencia resonante: un amplificador láser. La relación promedio entre el número de fotones que llegan a la entrada del amplificador y el número de fotones que llegan a su salida es igual a la ganancia de energía. El applet permite simular el funcionamiento de un amplificador láser a diferentes niveles de bombeo.