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Algo más sobre la interacción luz-materia: la ampliación óptica, principio base para el efecto LASER

Ya hemos hablado de lo que ocurre tanto cuando un fotón puede excitar un electrón en un material (absorción), como de la tendencia natural de los electrones excitados a volver a estados de menor energía (emisión espontánea). Sin embargo, hay un tercer fenómeno de interacción luz-materia que tiene unas características de lo más interesantes.

Se verifica experimentalmente que cuando un fotón de la energía (frecuencia) adecuada alcanza a un electrón excitado, dicho electrón decae radiactivamente (como si fuera una emisión espontánea), a este efecto se le conoce como emisión estimulada.

La particularidad de esta emisión es que el fotón emitido tiene varias características que lo hacen “especial”:

  • El fotón emitido se propagará en la misma dirección y sentido del fotón causante de la emisión estimulada.
  • El fotón emitido tiene exactamente la misma frecuencia del que estimula (sólo se producirá emisión estimulada si existe un estado energético válido y libre con una diferencia energética idéntica a la energía del fotón que causa la emisión).
  • El campo eléctrico del fotón emitido estará perfectamente sincronizado en fase temporal con el fotón estimulante. Esto es particularmente interesante porque de no ser así, la interferencia entre ambos fotones no sería plenamente constructiva (amplitud igual a suma de amplitudes) y podría ser incluso destructiva.

Con estas tres características, podemos afirmar que este efecto se corresponde con un fenómeno de amplificación de la luz incidente; es decir, si un haz de luz atravesara un material en estas circunstancias podríamos esperar que, tras abandonar el material, el haz de luz tuviera más intensidad, manteniendo todas sus demás características constantes. Por este motivo, a la emisión estimulada se le conoce también como emisión coherente.

Gracias a este efecto, ya sabemos cómo amplificar luz, al menos de forma teórica. La pregunta ahora es: “¿cómo es posible encontrar un material con la mayoría de sus electrones en estado excitado si tienen naturalmente a decaer a estados fundamentales y, encima, con la emisión coherente también decaen?” La respuesta es sencilla, manteniendo a su vez un mecanismo que excite a los electrones; por este motivo, la emisión estimulada sólo es evidente en condiciones inducidas por el hombre (ej. amplificadores ópticos de comunicaciones, láseres, etc.). Para conseguir la amplificación óptica, la cantidad de electrones en estado excitado ha de ser mayor que la cantidad de electrones suscetibles de provocar absorción.

Hay muchas formas de mantener un mecanismo de excitación, normalmente llamados mecanismos de bombeo (ej. calentar, exponer a luz intensa, inducir una corriente eléctrica en el material, etc.). El único particular es que se requiere, al menos, un tercer nivel superior en energía al nivel excitado cuyo decaimiento provoca la emisión de luz. El mecanismo de bombeo lleva electrones del estado fundamental al segundo estado excitado y éstos decaen espontáneamente al primer estado excitado. El mecanismo a cuatro niveles es aún más eficiente, ver esquema a la derecha. Con este tipo de mecanismos, podemos mantener indefinidamente un estado en el que hay más electrones susceptibles de producir emisión estimulada que absorción, convirtiendo un material que sería absorbente (opaco) en un material que amplifica la luz que lo atraviesa.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Próximamente hablaré de cómo este efecto es usado para fabricar láseres.

Más información| La “Aventura del Láser”; Biblioteca digital

Imágen| Emisión estimulada y amplificación óptica; Mecanismo de bombeo a 3 niveles; Mecanismo de bombeo a 4 niveles

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