Inversión de población | Explicación | 3 Fenómeno importante

INVERSIÓN DE LA POBLACIÓN

Contenido : Inversión de la población

¿Qué es la inversión de población?

La inversión de población se refiere al estado en el que la cantidad de átomos o partículas subatómicas que residen en un nivel de energía excitado más alto es mayor que el número de átomos o partículas subatómicas que residen en un nivel de energía excitado más bajo o nivel del suelo. Este estado se denomina población inversión porque, en condiciones normales, la población en los estados de menor energía es mayor que la de los estados excitados. El concepto de inversión de población es el principio rector en la fabricación de láseres y máseres.

inversión de la población
Diagrama de niveles de energía de la inversión poblacional.
Fuente de imagen: Bob Mellish CC BY-SA 3.0 Archivo: Population-inversion-3level.png

¿Qué es la absorción?

Planck declaró que

“La energía de la radiación electromagnética se limita a paquetes indivisibles de energía llamados cuantos, cada uno de estos cuantos o paquetes tiene la misma energía que el producto de la constante de Planck y la frecuencia.n de la radiación ".

Los electrones en los estados de menor energía absorben energía externa en forma de calor (fonones) o luz (fotones) para alcanzar un estado de mayor energía, solo puede suceder cuando la diferencia de energía entre los estados alto y bajo es la misma. En el caso de los fotones, esto se traduce en que las partículas pueden absorber una longitud de onda de luz específica solo para experimentar una transición. Este concepto de energía luminosa en términos de cuantos fue propuesto por Max Planck.

h es la constante de Planck.
v frecuencia.
c es la velocidad de la luz.
λ es la longitud de onda.

¿Qué es la emisión estimulada?

El fotón emitido cuando un electrón pasa de un estado de energía más alta a un estado de energía más baja después de que ocurre la absorción de fotones coincide con los fotones originales en términos de fase, dirección y longitud de onda y esto se conoce como emisión estimulada, y es el fenómeno principal detrás del trabajo. de láseres. Los láseres tienen un medio de ganancia que es un material (sólido, líquido o gas) que obtiene energía de una fuente externa y la proporciona a los átomos para excitarlos a sus estados superiores. El medio de ganancia óptica se analiza en términos de forma, tamaño, concentración y pureza.

¿Qué es la emisión espontánea?

El electrón que rodea al núcleo no es capaz de permanecer en el estado de excitación superior para siempre y estos electrones pierden energía o decaen para volver a caer en un estado de energía más baja. Esta transición de electrones de alto a bajo nivel ocurre en intervalos de tiempo separados y la energía se emite en forma de fotón y proceso de transición de electrones sin ninguna aplicación de energía externa. Los electrones emitidos a través de este proceso tienen una fase y una dirección aleatorias. Este tipo de emisión no es capaz de producir una salida de luz coherente de alta intensidad.

¿Cuál es la relación entre emisión estimulada e inversión poblacional?

Los láseres tienen un medio de ganancia óptica en forma de material (sólido, líquido o gas) que amplifica el haz de fotones emitidos. El medio de ganancia óptica se analiza en términos de forma, tamaño, concentración y pureza. La inversión de la población ocurrirá si el número de partículas en el nivel de energía excitado es mayor que el número de partículas existentes en el nivel de energía más bajo después del proceso de emisión estimulada y para el caso de los láseres, la tasa de emisión estimulada excede la tasa de absorción. por el electrón y así es como se amplifica la luz emitida o el haz de fotones. El proceso de ganancia de amplitud en un haz de fotones se denomina amplificación óptica.

¿Por qué es necesaria la inversión de población para la acción láser?

La acción láser se produce cuando un gran número de átomos o partículas subatómicas, es decir, electrones (un material: sólido, líquido o gas), liberan simultáneamente energía en forma de fotones mientras pasan de un estado excitado superior a un estado fundamental inferior mediante el proceso de estimulación. emisión. Para que se produzca esta acción, los átomos o partículas subatómicas deben excitarse primero a un estado de mayor energía para que siga la emisión estimulada. Este estado se logra mediante la inversión de la población. En el caso de los láseres, la tasa de emisión estimulada excede la tasa de absorción por los electrones. Así es como se amplifica la luz emitida o el haz de fotones. Sin inversión de población, no puede ocurrir acción láser.

¿Qué es la distribución de Boltzmann?

Si hay N número de átomos y dos estados de energía (estado fundamental E1 y estado excitado E2). Entonces N puede ser dado por

N1 + N2 = N (N1 es el número de átomos en el estado fundamental E1 y N2 es el número de átomos en el estado excitado E2)

La diferencia de energía entre los dos estados excitados viene dada por

ΔE = E2 - E1 = hv12 (v12 es la frecuencia de la onda emitida durante la transición de E2 a E1 & h es la constante de Planck)

Según las estadísticas de Maxwell-Boltzmann, durante el grupo de átomos están en equilibrio térmico, entonces la relación del no. de átomos en cada estado se expresa mediante la siguiente ecuación.

 Aquí, T es la temperatura termodinámica del grupo de átomos.
 k es la constante de Boltzmann.

La inversión de la población ocurrirá si el número de átomo en estado excitado N2 es mayor que el número de átomo en estado fundamental, es decir, N1. De la ecuación podemos decir que la relación N2 / N1 es mayor que 1 solo cuando la temperatura termodinámica T es negativa ya que E2 - E1 siempre será positiva.

Otras formas de crear una inversión de población

La emisión electromagnética coherente de microondas se produce mediante el proceso de amplificación mediante emisión estimulada en un instrumento conocido como MASER ”Amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación.”Y se obtiene mediante la eliminación de un tipo específico de átomos del sistema en función de ciertas diferencias de propiedad.

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Sobre Sanchari Chakraborty

Soy un estudiante entusiasta, actualmente invertido en el campo de la Óptica Aplicada y la Fotónica. También soy miembro activo de SPIE (Sociedad internacional de óptica y fotónica) y OSI (Sociedad óptica de India). Mis artículos tienen como objetivo sacar a la luz temas de investigación científica de calidad de una manera simple pero informativa. La ciencia ha ido evolucionando desde tiempos inmemoriales. Por lo tanto, intento aprovechar la evolución y presentarla a los lectores.

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