el laser

I I .
A M P L I F I C A D O R E S
Y
O S C I L A D O R E S
Ó P T I C O S

EN RARAS ocasiones nos hallaremos en una situación en la que
debamos considerar la interacción de un solo átomo con un solo fotón,
tal como hemos hecho en el capítulo anterior. En vez de esto tendremos
la interacción de un gran número de fotones con una enorme cantidad
de átomos. Debemos por tanto discutir estaúltima situación y obtener
resultados que nos permitan saber cuál será el resultado neto de la
interacción entre grandes cantidades de átomos con fotones para
posteriormente comprender qué es un amplificador y un oscilador
láser.
ABSORCIÓN Y
AMPLIFICACIÓN DE LUZ
En esta sección discutiremos cómo podemos describir la interacción de
grandes cantidades de fotones con átomos. Consideremos un flujoS de
fotones propagándose a lo largo de una cavidad cilíndrica de longitud
L, tal como se muestra en la figura II.1.

Figura II.1.

Supondremos que dicha cavidad tiene N átomos por unidad de
volumen de los cuales una cantidad N2 son átomos que se encuentran
en su estado excitado y N1 en su estado base, que se representan como
puntos blancos o negros, respectivamente, en la figura II.1.Esto es, el

número total de átomos por unidad de volumen N está dado por la
suma de los que se encuentran en el estado excitado N2 y aquellos que
están en su estado base N1:

N = N1 + N2
Al propagarse el flujo S de fotones a través de la cavidad y entrar en
interacción con átomos que estén excitados, ocurrirá el proceso de
emisión estimulada. Como hemos visto en el capítulo anterior,este
proceso traerá como consecuencia la amplificación del flujo inicial de
fotones S. Esto debido a que, como ya sabemos, cada fotón del flujo
incidente que interactúe con un átomo inicialmente excitado puede dar
lugar por medio del proceso de emisión estimulada a la emisión de un
segundo fotón, conjuntamente con la transición del átomo del estado
excitado al estado base o no excitado. Sinembargo, debido a que en
dicha cavidad también hay átomos que se encuentran en su estado base,
al interactuar el flujo S de fotones con dichos átomos el proceso de
absorción de fotones ocurrirá, y con esto disminuye el flujo inicial S de
fotones. Ello se debe a que cada fotón que interactúe con un átomo
inicialmente en su estado base será absorbido por dicho átomo y éste
pasará a un estadoexcitado.
Si por un momento consideramos solamente el proceso de emisión
estimulada, vemos que la amplificación de un flujo incidente, que
designaremos por Si, después de propagarse a lo largo de una distancia
arbitraria Z a lo largo de un eje Z (véase la figura II.2) será mayor si
la cantidad de átomos excitados N2 crece. Es decir, mientras mayor sea
N2, mayor será el incremento en el flujoinicial de fotones. Claro está
que mientras mayores sean las distancias recorridas (Z) por el flujo
inicial de fotones, también aumentará la amplificación que el mismo
sufrirá. Por tanto, si aumentamos cualquiera de las cantidades Z, N2 o
Si, el incremento en el flujo inicial de fotones también aumentará.

Figura II.2.

De forma similar, si ahora consideramos únicamente el proceso deabsorción, vemos que la absorción del flujo incidente Si después de
propagarse a lo largo del eje Z una distancia arbitraria Z (véase la
figura II.3) será mayor cuanto más grande sea la cantidad de átomos ~
que se encuentran en su estado base. Cuando crece N1, mayor será el
decremento en el flujo inicial de fotones. Esto es, por un razonamiento
análogo al anterior tenemos que el decremento enel flujo inicial de
fotones será mayor cuando crezca la longitud Z en que se propaga
dicho flujo, la cantidad de átomos en su estado base N1 y la cantidad
inicial de fotones Si. Aumentando cualquiera de las cantidades Z, N1
o Si, el decremento en el flujo inicial de fotones también aumentará.
Sin embargo, en la realidad debemos considerar simultáneamente los
dos procesos anteriores de...