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erché l'“inversione demografica” è la chiave magica dei laser?
In fisica, in particolare nella meccanica statistica, l'inversione di popolazione avviene quando in un sistema sono presenti più atomi o molecole negli stati ad alta energia rispetto agli stati a bassa energia. Questo concetto è cruciale nella scienza del laser perché generare inversioni di popolazione è un passaggio obbligatorio per il lavoro laser standard.
Il concetto di inversione di popolazione implica l'interazione tra luce e materia, che è correlata al funzionamento dei laser. Senza un meccanismo per portare il sistema in uno stato di inversione di popolazione, la generazione del laser sarebbe impossibile.
Equilibrio termico e distribuzione di Boltzmann
Per comprendere il concetto di inversione di popolazione, è necessario prima comprendere alcuni aspetti della termodinamica e il modo in cui la luce interagisce con la materia. Supponiamo che esista un insieme di N atomi, ciascun atomo può esistere in due stati energetici: lo stato fondamentale E1 e lo stato eccitato E2. Quando questi atomi sono in equilibrio termico, secondo la statistica di Maxwell-Boltzmann, il rapporto tra il numero di atomi nello stato fondamentale e nello stato eccitato è determinato dal fattore di Boltzmann.
Pertanto, quando un sistema è in equilibrio termico, ci saranno più persone negli stati di bassa energia che negli stati di alta energia, che è lo stato normale del sistema.
All'aumentare di T, il numero di atomi negli stati ad alta energia (N2) aumenterà, ma N2 non supererà mai N1. Per ottenere l’inversione della popolazione, il sistema deve essere spinto in uno stato di non equilibrio, che è la chiave per il funzionamento del laser.
Interazione tra luce e materia
L'interazione della luce con i sistemi atomici può essere suddivisa in tre tipi principali: assorbimento, emissione spontanea ed emissione stimolata.
Assorbimento
Quando la luce con una frequenza di ν12 passa attraverso un gruppo di atomi, può essere assorbita dagli elettroni nello stato fondamentale e quindi eccitata in uno stato energetico più elevato. La velocità di assorbimento è proporzionale alla densità di radiazione della luce e correlata al numero di atomi nello stato fondamentale (N1).
Radiazione spontanea
Gli atomi in uno stato eccitato ritornano spontaneamente al loro stato fondamentale, rilasciando fotoni. L'emissione spontanea è casuale e non ha una relazione di fase fissa, quindi la sua emissione è incoerente.
Radiazione stimolata
Quando un fotone incidente fa sì che un atomo eccitato ceda la sua energia e rilasci un fotone di frequenza ν21, il processo è chiamato emissione stimolata di radiazione. Ciò che accade qui è l'interazione dei fotoni, che fa sì che gli atomi eccitati e il fotone incidente producano congiuntamente fotoni della stessa frequenza e fase. Questa è la chiave per il guadagno del laser.
Se ci sono più persone negli stati ad alta energia che negli stati a bassa energia, cioè N2>N1, allora si otterrà una radiazione nettamente migliorata.
Il processo di creazione dell'inversione demografica
Un modo per ottenere l'inversione di popolazione è utilizzare metodi indiretti per trasferire gli atomi dallo stato fondamentale allo stato eccitato. Un esempio sono i sistemi laser a tre livelli. In questo sistema, gli atomi possono esistere in tre stati energetici. Se gli atomi ad alti livelli energetici decadono rapidamente a livelli energetici intermedi per raggiungere una popolazione a livello energetico relativamente basso, ciò porterà alla formazione di stati combinatori.
Laser a quattro livelli
Nel laser a quattro livelli, il livello di energia è impostato in modo più ragionevole, in modo che gli atomi possano rimuovere un gran numero di popolazioni dello stato fondamentale in breve tempo, ottenendo così il corrispondente effetto di potenziamento del laser. Ciò rende i laser a quattro livelli più efficienti dei laser a tre livelli e più comuni nelle applicazioni pratiche.
Lo sviluppo della tecnologia laser le ha permesso di svolgere un ruolo insostituibile in campi come la scienza, la medicina e le comunicazioni, e tutto questo grazie al meccanismo di inversione della popolazione.
Con il progresso della tecnologia, come si evolveranno i futuri sistemi laser e come continueranno a promuovere lo sviluppo della società umana?
