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Inversione della popolazione atomica

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

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

L'inversione di popolazione è uno stato in un sistema di atomi o molecole in cui un numero maggiore di membri si trova in uno stato energetico eccitato più elevato rispetto a uno stato energetico inferiore. Questa condizione di non equilibrio è un prerequisito per l'amplificazione della luce tramite emissione stimolata. Senza di essa, prevarrebbe l'assorbimento e non si otterrebbe alcun guadagno netto, rendendo impossibile l'azione laser.

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]).

Per ottenere l'inversione di popolazione è necessaria una fonte di energia esterna, un processo noto come "pompaggio". I metodi di pompaggio più comuni includono il pompaggio ottico (utilizzando una lampada a scarica o un altro laser), la scarica elettrica (nei laser a gas) e l'iniezione di corrente continua (nei laser a semiconduttore). Il sistema viene "pompato" a un livello di energia elevato, che poi decade rapidamente a un livello laser superiore relativamente longevo, o "metastabile". Il livello laser inferiore è progettato per decadere rapidamente, garantendo che rimanga spopolato. Questo crea l'inversione tra il livello superiore metastabile e il livello inferiore a rapido decadimento. Ciò si ottiene spesso utilizzando uno schema energetico a tre o quattro livelli, con i sistemi a quattro livelli che risultano più efficienti poiché il livello laser inferiore non è lo stato fondamentale, il che ne facilita il mantenimento spopolato.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Ottica

Tipo

Principio fisico

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • teoria dell'emissione stimolata (Einstein)
  • quantum mechanics and discrete energy levels (Bohr, Schrödinger)
  • Statistica di Boltzmann per l'equilibrio termico
  • sviluppo di maser (Townes, Basov, Prokhorov)

Applicazioni

  • tutti i tipi di laser (a gas, a stato solido, a semiconduttore)
  • maser
  • amplificatori ottici
  • esperimenti di superradianza
  • orologi atomici

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • 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 quantum dot population dynamics
Argomenti correlati: inversione di popolazione, laser, maser, emissione stimolata, guadagno ottico, pompaggio, stato metastabile, non equilibrio, distribuzione di Boltzmann, livelli energetici.

Contesto storico

Inversione della popolazione atomica

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1959-11
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(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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