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Por qué la “inversión poblacional” es la clave mágica de los láseres?
En física, especialmente en mecánica estadística, la inversión de población es una condición en la que hay más átomos o moléculas en un sistema en un estado de mayor energía que en un estado de menor energía. Este concepto es crucial en la ciencia del láser, ya que la creación de una inversión de población es un paso necesario para el trabajo estándar con láser.
El concepto de inversión de población implica la interacción de la luz y la materia, lo que está relacionado con el principio de funcionamiento de los láseres. Sin un mecanismo que pueda poner el sistema en un estado de inversión de población, no se puede lograr la generación de láser.
Equilibrio térmico y distribución de BoltzmannPara comprender el concepto de inversión de población, primero es necesario comprender un poco sobre termodinámica y cómo la luz interactúa con la materia. Supongamos que hay un grupo de N átomos, cada átomo puede existir en dos estados de energía: el estado fundamental E1 y el estado excitado E2. Cuando estos átomos están en equilibrio térmico, la relación entre el número de átomos en el estado fundamental y el estado excitado está determinada por el factor de Boltzmann según las estadísticas de Maxwell-Boltzmann.
Por lo tanto, cuando un sistema está en equilibrio térmico, los estados de baja energía estarán más poblados que los estados de alta energía, que es el estado normal del sistema.
A medida que T aumenta, el número de átomos en el estado de alta energía (N2) aumenta, pero N2 nunca superará a N1. Para lograr la inversión de la población, el sistema debe llevarse a un estado de no equilibrio, que es la clave para el funcionamiento del láser.
Interacción de la luz y la materia
La interacción de la luz con los sistemas atómicos se puede dividir en tres tipos principales: absorción, emisión espontánea y emisión estimulada.
Absorción
Cuando la luz con una frecuencia de ν12 pasa a través de un grupo de átomos, puede ser absorbida por los electrones en el estado fundamental, excitándolos así a un estado de alta energía. La tasa de absorción es proporcional a la densidad de radiación de la luz y está relacionada con el número de átomos en el estado fundamental (N1).
Emisión espontánea
Un átomo en un estado excitado regresará espontáneamente a su estado fundamental, liberando un fotón. La emisión espontánea es aleatoria y no tiene una relación de fase fija, por lo que su emisión es incoherente.
Emisión estimulada de radiación
Cuando un fotón incidente hace que un átomo excitado ceda su energía y emita un fotón con una frecuencia de ν21, el proceso se denomina emisión estimulada. Lo que sucede aquí es que los fotones interactúan de manera que los átomos excitados producen fotones de la misma frecuencia y fase que los fotones incidentes. Ésta es la clave de la ganancia del láser.
Si la población de estados de mayor energía es mayor que la de estados de menor energía, es decir, N2>N1, se logrará una radiación neta mejorada.
El proceso de creación de una inversión poblacional
Una forma de lograr la inversión de la población es utilizar un método indirecto, transfiriendo átomos del estado fundamental a un estado excitado. Un sistema láser de tres niveles es un ejemplo. En este sistema, los átomos pueden existir en tres estados de energía. Si la energía atómica de alta energía se desintegra rápidamente al nivel de energía intermedio para alcanzar una población de energía relativamente baja, esto conducirá a la formación de un estado combinado.
Láser de cuatro niveles
En un láser de cuatro niveles, los niveles de energía se establecen de forma más razonable, de modo que los átomos pueden eliminar una gran cantidad de poblaciones del estado fundamental en poco tiempo, logrando así el efecto de mejora del láser correspondiente. Esto hace que los láseres de cuatro niveles sean más eficientes que los de tres niveles y más comunes en aplicaciones prácticas.
El desarrollo de la tecnología láser le ha permitido desempeñar un papel irreemplazable en campos como la ciencia, la medicina y las comunicaciones, todo ello gracias al mecanismo de inversión poblacional.
A medida que avanza la tecnología, ¿cómo evolucionarán los sistemas láser en el futuro y seguirán promoviendo el desarrollo de la sociedad humana?
