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Inversión de la población atómica

1950
Gas laser apparatus demonstrating atomic population inversion in laser physics.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

La inversión de población es un estado en un sistema de átomos o moléculas donde hay más miembros en un estado de energía excitada superior que en un estado de energía inferior. Esta condición de no equilibrio es un requisito previo para la amplificación de la luz mediante emisión estimulada. Sin ella, la absorción predominaría y no se lograría ninguna ganancia neta, lo que imposibilitaría la acción láser.

Under normal thermal equilibrium, the population of energy levels is described by the Boltzmann distribution, which dictates that lower energy states are always more populated than higher energy states. To achieve laser action, this natural state must be inverted. Population inversion is the condition where the number of atoms in an excited state, [latex]N_2[/latex], exceeds the number in a lower energy state, [latex]N_1[/latex], i.e., [latex]N_2 > N_1[/latex]. This is a necessary condition for net optical gain, as the rate of stimulated emission (proportional to [latex]N_2[/latex]) must be greater than the rate of absorption (proportional to [latex]N_1[/latex]).

Para lograr la inversión de población se requiere una fuente de energía externa, un proceso conocido como "bombeo". Los métodos de bombeo comunes incluyen el bombeo óptico (mediante una lámpara de destellos u otro láser), la descarga eléctrica (en láseres de gas) y la inyección de corriente continua (en láseres semiconductores). El sistema se "bombea" a un nivel de alta energía, que luego decae rápidamente a un nivel láser superior relativamente duradero, o "metaestable". El nivel láser inferior está diseñado para decaer rápidamente, asegurando que permanezca despoblado. Esto crea la inversión entre el nivel superior metaestable y el nivel inferior de decaimiento rápido. Esto se suele lograr utilizando un esquema de energía de tres o cuatro niveles, siendo los sistemas de cuatro niveles más eficientes, ya que el nivel láser inferior no es el estado fundamental, lo que facilita mantenerlo despoblado.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Óptica

Tipo

Principio físico

Ruptura

Fundacional

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • teoría de la emisión estimulada (Einstein)
  • quantum mechanics and discrete energy levels (Bohr, Schrödinger)
  • Estadísticas de Boltzmann para el equilibrio térmico
  • desarrollo de máseres (Townes, Basov, Prokhorov)

Aplicaciones

  • todo tipo de láseres (de gas, de estado sólido, semiconductores)
  • máseres
  • amplificadores ópticos
  • experimentos de superadifusión
  • relojes atómicos

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • room-temperature X-ray lasers using nuclear isomers
  • population inversion-based cooling systems for microelectronics
  • efficient anti-stokes raman lasers for chemical detection
  • gamma-ray lasers based on controlled nuclear transitions
  • inversion-less lasing schemes for ultra-low threshold lasers
  • coherent matter-wave amplifiers (atom lasers) with population inversion
  • terahertz lasers for non-invasive medical diagnostics
  • direct solar-pumped lasers for space-based power transmission
  • spin-polarized lasers for spintronics applications
  • tunable lasers based on engineered ¿Cuánto das? population dynamics
Relacionado con: inversión de población, láser, máser, emisión estimulada, ganancia óptica, bombeo, estado metaestable, no equilibrio, distribución de Boltzmann, niveles de energía.

Contexto histórico

Inversión de la población atómica

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1959-11
1960

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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