Inversión de población en física: definición y ejemplo

¿Qué hace que un láser sea diferente?

Los láseres se utilizan en numerosos aspectos de la vida moderna: desde las telecomunicaciones hasta la medicina. Incluso si nunca ha trabajado con un láser, probablemente haya jugado con un puntero láser.

Cuando ha estado cerca de un láser, ¿alguna vez pensó en qué hace que un rayo láser sea diferente de la luz emitida por otras fuentes de luz típicas? Algunas respuestas comunes a esta pregunta son color y poder. Estas respuestas ciertamente están en el camino correcto, pero una respuesta aún mejor a esta pregunta resalta el hecho de que la luz láser es coherente.

Láser de iones de argón que se utiliza en el tratamiento del cáncer.

Aquí hay una forma simplificada de pensar en la luz coherente : los fotones que componen el haz de luz están en fase, tienen la misma frecuencia y viajan en la misma dirección. Esta no es una definición completa de coherencia, pero proporciona una buena base para profundizar más en nuestra lección.

La producción de luz coherente que forma un rayo láser se logra mediante un proceso conocido como inversión de población. Veamos cómo funciona esto.

Inversión de la población

Antes de definir la inversión de población, revisemos primero el concepto de emisión estimulada. En la emisión estimulada , un electrón que se encuentra en un estado de mayor energía interactúa con un fotón que lo estimula a regresar a un estado de menor energía. Cuando esto ocurre, se libera un fotón. El fotón entrante y el fotón liberado son coherentes.

Emisión estimulada: un electrón en un estado de mayor energía interactúa con un fotón que lo estimula a regresar a un estado de menor energía y se libera un fotón.

La inversión de la población ocurre cuando más electrones, en una situación particular, están en un estado de mayor energía que en un estado de menor energía. La inversión de población se puede considerar como una inversión del estándar, ya que los electrones se encuentran típicamente en estados de menor energía.

La inversión de población involucra más electrones en un estado de mayor energía que en uno más bajo.

El verdadero poder de la inversión de población proviene del hecho de que la entrada de un solo fotón puede conducir a un resultado final importante. Es decir, todos los electrones de mayor energía «caerán» a un estado de menor energía.

Con cada ‘caída’ de un electrón, se libera un fotón que es coherente con sus vecinos. El fotón entrante no interactúa directamente con todos los electrones que se encuentran en niveles de energía más altos, pero provoca la liberación de fotones adicionales que interactúan más con más electrones en estado excitado. Básicamente, la inversión de la población conduce a una cantidad «amplificada» de emisión estimulada.

Inversión de población: liberación de fotones coherentes

Inversión de población y láseres

Otras lecciones entrarán en los detalles exactos de cómo se logra la inversión de población en la producción de rayos láser, pero por ahora solo tenga en cuenta que la inversión de población es lo que permite que se forme un haz de luz coherente. Si la inversión de la población no fuera posible, sería muy difícil obtener suficientes fotones coherentes para obtener un rayo láser utilizable.

Resumen de la lección

Los rayos láser se producen haciendo uso del concepto de física conocido como inversión de población, que conduce a la producción de luz coherente.

• La luz coherente se puede considerar como fotones que están en fase, tienen la misma frecuencia y viajan en la misma dirección.
• La inversión de población ocurre cuando hay más electrones en un estado de mayor energía que en un estado de menor energía.

Si un solo fotón interactúa con un sistema que está experimentando inversión de población, todos los electrones caerán al estado de menor energía. La liberación de fotones se rige por el proceso de emisión estimulada. En la emisión estimulada , un electrón que se encuentra en un estado de mayor energía interactúa con un fotón que lo estimula a regresar a un estado de menor energía. Cuando esto ocurre, se libera un fotón. En tal situación, el fotón entrante y el fotón liberado son coherentes.

Continúa con:

1. Historia Mundial

   Área metropolitana, ciudad física y centro de la ciudad

   Centro de la ciudad Nancy se está preparando para mudarse a una nueva ciudad, pero...

2. Física

   Inducción electrostática: laboratorio de física

   Introducción Objetivo: Para comprender la reordenación de la carga durante la inducción electrostática Años: Secundaria...

3. Nutrición

   Supervisión de estudiantes en clases de educación física

   Supervisión de alumnos en el aula de educación física El Sr. Smith es un maestro...

4. Inversión

   Gasto del gobierno, PIB y exclusión de la inversión privada

   Excedente presupuestario y déficit presupuestario En esta lección, hablamos de cómo el gasto excesivo y...