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or que a “inversão populacional” é a chave mágica para os lasers?
Na física, especialmente na mecânica estatística, a inversão populacional é uma condição na qual há mais átomos ou moléculas em um sistema em um estado de maior energia do que em um estado de menor energia. Este conceito é crucial na ciência do laser, pois criar uma inversão populacional é uma etapa necessária para o trabalho padrão com laser.
O conceito de inversão populacional envolve a interação de luz e matéria, que está relacionada ao princípio de operação dos lasers. Sem um mecanismo que possa colocar o sistema em um estado de inversão populacional, a geração de laser não pode ser alcançada.
Equilíbrio térmico e distribuição de Boltzmann
Para entender o conceito de inversão populacional, primeiro você precisa entender um pouco sobre termodinâmica e como a luz interage com a matéria. Suponha que haja um grupo de N átomos, cada átomo pode existir em dois estados de energia: o estado fundamental E1 e o estado excitado E2. Quando esses átomos estão em equilíbrio térmico, a razão entre o número de átomos no estado fundamental e no estado excitado é determinada pelo fator de Boltzmann de acordo com as estatísticas de Maxwell-Boltzmann.
Assim, quando um sistema está em equilíbrio térmico, os estados de baixa energia serão mais populosos do que os estados de alta energia, que é o estado normal do sistema.
À medida que T aumenta, o número de átomos no estado de alta energia (N2) aumenta, mas N2 nunca excederá N1. Para atingir a inversão populacional, o sistema deve ser levado a um estado de não equilíbrio, que é a chave para a operação do laser.
Interação da luz e da matéria
A interação da luz com sistemas atômicos pode ser dividida em três tipos principais: absorção, emissão espontânea e emissão estimulada.
Absorção
Quando a luz com uma frequência de ν12 passa por um grupo de átomos, ela pode ser absorvida por elétrons no estado fundamental, excitando-os para um estado de alta energia. A taxa de absorção é proporcional à densidade de radiação da luz e está relacionada ao número de átomos no estado fundamental (N1).
Emissão Espontânea
Um átomo em um estado excitado retornará espontaneamente ao seu estado fundamental, liberando um fóton. A emissão espontânea é aleatória e não tem relação de fase fixa, portanto sua emissão é incoerente.
Emissão estimulada de radiação
Quando um fóton incidente faz com que um átomo excitado libere sua energia e emita um fóton com uma frequência de ν21, o processo é chamado de emissão estimulada. O que acontece aqui é que os fótons interagem de modo que os átomos excitados produzem fótons da mesma frequência e fase dos fótons incidentes. Esta é a chave para o ganho do laser.
Se a população de estados de energia mais alta for maior que a de estados de energia mais baixa, ou seja, N2>N1, uma radiação líquida aumentada será alcançada.
O processo de criação de uma inversão populacional
Uma maneira de obter a inversão populacional é usar um método indireto, transferindo átomos do estado fundamental para um estado excitado. Um sistema de laser de três níveis é um exemplo. Neste sistema, os átomos podem existir em três estados de energia. Se a energia atômica de alta energia decai rapidamente para o nível de energia intermediário para atingir uma população de energia relativamente baixa, isso levará à formação de um estado combinado.
Laser de quatro níveis
Em um laser de quatro níveis, os níveis de energia são definidos de forma mais razoável, de modo que os átomos podem remover um grande número de populações no estado fundamental em um curto espaço de tempo, alcançando assim o efeito de aprimoramento do laser correspondente. Isso torna os lasers de quatro níveis mais eficientes do que os de três níveis e mais comuns em aplicações práticas.
O desenvolvimento da tecnologia laser permitiu que ela desempenhasse um papel insubstituível em campos como ciência, medicina e comunicações, tudo graças ao mecanismo de inversão populacional.
À medida que a tecnologia avança, como os sistemas de laser evoluirão no futuro e continuarão a promover o desenvolvimento da sociedade humana?
