laser

Procesos de absorción y emisión de radiación en
átomos

El láser
L.A.S.E.R: Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation (Amplificación de luz por emisión
estimulada de radiación)

1) Absorción de radiación:
Un átomo absorbe un fotón pasando al estado de energía
mayor 2

M.A.S.E.R: Microwave Amplification by Stimulated Emission
of Radiation

hν

E2
E2-E1=hν
E1

Laluz de láser tiene dos propiedades importantes:
• Luz monocromática y coherente
• Haz muy colimado (alta direccionalidad)

Si uno tiene N1 átomos en el nivel 1 y N2 átomos en el nivel 2 el
número de trancisiones por unidad de tiempo va a ser
proporcional al número N1 de átomos en el nivel de energía E1 y
a la intensidad de la radiación en la frecuencia ν

El láser funciona debido a lassiguientes propiedades:
• Emisión estimulada de luz debido a átomos ⇒ coherencia
• Presencia de estados atómicos metaestables ⇒ poca emisión
espontánea ⇒ coherencia

Hablamos de emisión estimulada y espontánea y coherencia,
repasemos estos conceptos

Donde B12 es una magnitud que me da la probabilidad por unidad
de tiempo y por unidad de intensidad de radiación de que ocurra
la absorciónpor parte del átomo.
1

2

1

2) Emisión de radiación:

2-2) Emisión inducida o estimulada:

2-1) Emisión espontánea:
Un átomo en un nivel de energía mayor decae al estado de
energía menor E1 emitiendo un fotón de frecuencia ν

Un átomo en un nivel de energía mayor es forzado a decaer al
estado de energía menor E1 por la presencia de una radiación
resonante (de frecuenciaν=(E2-E1)/h) emitiendo un fotón de
frecuencia ν

E2
hν

E2-E1=hν

hν

E1

E2
hν

E2-E1=hν

E1

El número de transiciones por unidad de tiempo va a ser
proporcional al número N2 de átomos en el nivel de energía E2 y
a la probabilidad de transición por unidad de tiempo A21

Como resultado del proceso se obtienen dos fotones
El número de trancisiones por unidad de tiempo va a serproporcional al número N2 de átomos en el nivel de energía E2 y
a la intensidad de la radiación incidente.

En un sistema atómico con los dos estados y con radiación ε(ν)
van a ocurrir los tres procesos a la vez y por lo tanto el cambio de
la población del nivel E2 debida a los tres procesos será:
3

4

2

Pero si comparamos con la expresión de ε(ν) para la radiación en
equilibriotérmico con la materia

Obviamente lo que se despuebla el nivel 2 es lo que se puebla
el 1 y viceversa:
N1+N2=N=cte

encontramos que:

Cuando se llega al equilibrio entre la radiación y los átomos, los
números N1 y N2 se estabilizan y por lo tanto:
La razón entre la probabilidad de emisión espontánea y emisión
inducida es:
Despejando obtenemos
Si los átomos están en equilibrio térmico ysiguen la estadística
de Maxwell-Boltzmann:

Normalmente hν >> kT por lo tanto la probabilidad de emisión
espontánea es mucho mayor que la probabilidad de emisión
inducida.
Si T=300K ⇒ kT=4.14 x 10-21 J= 0.025 eV
hν=∆E ≈ 1 eV

Comparando se obtiene

5

6

3

Por qué es importante que la radiación sea coherente ?

Porqué es importante la emisión inducida?
En la emisión espontáneacada átomo emite un fotón en un
instante cualquiera (al azar) y por lo tanto la radiación resultante
de la emisión espontánea está formada por componentes fuera de
fase entre sí (radiación incoherente)
En cambio en la emisión estimulada el proceso es resonante y
por lo tanto la radiación emitida está en fase con la radiación
incidente (la radiación resultante es coherente)

• Sean N ondasincoherentes correspondiente a la emisión
espontánea de N átomos (las fases no tienen relación entre sí)
La onda total es:

Supongamos por simplicidad que todas las ondas tienen la misma
amplitud A (A1=A2=.....=AN=A)
La intensidad I de la radiación resultante es:

En promedio da

I∼N

N/2
0
La intensidad de la radiación resultante va como N
siendo N el número de ondas que la...