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¿Hay una explicación sencilla de por qué ocurre la emisión inducida en los láseres?

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Materiales de Estudio

Muy sencilla.

Los láseres de basan en el concepto de emisión estimulada.

En general, cuando a un cierto elemento se le proporciona energía, sus átomos absorben esa energía excitandose. Eso no es más que algunos electrones del átomo cambian del nivel de energía más bajo en el que pueden estar a otro de mayor energía. Cuando esto ocurre, el átomo excitado está en una situación inestable y tiende a volver a su situación más estable, donde el electrón excitado vuelve a su estado fundamental. Ese proceso de volver a su estado fundamental se produce emitiendo un fotón con la diferencia de energía entre los dos estados del electrón. Pero esto ocurre de forma desordenada. Cada átomo excitado está en dicho estado excitado un tiempo indeterminado y en algún momento aleatorio se produce la transición y por lo tanto la emisión del fotón. Eso es básicamente lo que hace que veamos los objetos. La luz incide sobre ellos, es absorbida por muchos átomos y luego esa energía puede ser remitida de distintas formas. La mayoría de las veces, esa energía se reemite en forma de calor, que no es más que un montón de fotones de distintas longitudes de onda que tienen distintas energías.

El efecto láser ocurre cuando se usa un material especial, que tiene una transición entre dos estados de energía muy concreta, se introduce en una cavidad y se le excita rápidamente para que la mayoría de sus átomos pasen al estado excitado que queremos. Esto puede hacerse por ejemplo iluminadolo con luz no láser de suficiente energía.

Una vez que hay muchísimos átomos excitados, alguno deja escapar un fotón porque vuelve a su estado no excitado. Pero ese fotón, en su camino se encuentra con otros átomos excitados que sólo necesitan un mínimo "empujoncito" para que suelten su fotón y vuelvan a su estado no excitado. Cuando eso ocurre, ya tienes dos fotones idénticos que interaccionan con otros dos átomos y se producen otros dos fotones. Este proceso crea una reacción en cadena. Cada vez hay más fotones del mismo tipo y esos hacen que aparezcan más y más.

El efecto se potencia, encerrando los fotones en una cavidad con espejos para que vayan y vuelvan una y otra vez sin salirse y produciendo cada vez más fotones como ellos.

El proceso no termina en una explosión por dos razones:

  1. Porque se agotan los átomos que estaban excitados. Una vez que ya no hay átomos exitados el proceso se para.
  2. Porque los espejos que mantienen a los fotones confinados en una cavidad no son perfectos. Siempre dejan pasar algo. Ese algo es lo que nosotros vemos como la salida del láser.

Una cosa que no he dicho en esta explicación tan cualitativa es que el láser tiene una propiedad única producida por la naturaleza cuántica de la materia y la luz y es que todos los fotones que se producen, no sólo tienen la misma energía, sino que además están en fase. Es como si todos se comportansen exactamente igual. Es por eso que el láser se usa tanto para producir luz monocromática y coherente. Monocromática significa que todos los fotones tienen la misma energía y coherente que tienen la misma fase, que están todos sincronizados.

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