Inversão da população atômica
A inversão de população é um estado em um sistema de átomos ou moléculas onde mais membros se encontram em um estado de energia excitado mais alto do que em um estado de energia mais baixo. Essa condição de não equilíbrio é um pré-requisito para a amplificação da luz por meio da emissão estimulada. Sem ela, a absorção predominaria e nenhum ganho líquido seria obtido, tornando a ação do laser impossível.
Em condições normais de equilíbrio térmico, a população dos níveis de energia é descrita pela distribuição de Boltzmann, que determina que os estados de energia mais baixos são sempre mais populosos do que os estados de energia mais altos. Para que ocorra a emissão laser, esse estado natural deve ser invertido. A inversão de população é a condição na qual o número de átomos em um estado excitado, N₂, excede o número em um estado de energia mais baixo, N₁, ou seja, N₂ > N₁. Essa é uma condição necessária para o ganho óptico líquido, pois a taxa de emissão estimulada (proporcional a N₂) deve ser maior do que a taxa de absorção (proporcional a N₁).
A obtenção da inversão de população requer uma fonte de energia externa, um processo conhecido como "bombeamento". Os métodos comuns de bombeamento incluem bombeamento óptico (usando uma lâmpada de flash ou outro laser), descarga elétrica (em lasers a gás) e injeção de corrente contínua (em lasers semicondutores). O sistema é "bombeado" para um nível de alta energia, que então decai rapidamente para um nível superior de laser relativamente estável, ou "metaestável". O nível inferior do laser é projetado para decair rapidamente, garantindo que permaneça despovoado. Isso cria a inversão entre o nível superior metaestável e o nível inferior de decaimento rápido. Isso geralmente é alcançado usando um esquema de energia de três ou quatro níveis, sendo os sistemas de quatro níveis mais eficientes, pois o nível inferior do laser não é o estado fundamental, tornando mais fácil mantê-lo despovoado.
UNESCO Nomenclature: 2210
Óptica
Precursores
- teoria da emissão estimulada (Einstein)
- mecânica quântica e níveis de energia discretos (Bohr, Schrödinger)
- Estatísticas de Boltzmann para equilíbrio térmico
- desenvolvimento de masers (Townes, Basov, Prokhorov)
Aplicações
- todos os tipos de lasers (a gás, de estado sólido, semicondutores)
- masers
- amplificadores ópticos
- experimentos de superradiância
- relógios atômicos
Ideias de Inovação Potencial
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Relacionado a: inversão populacional, laser, maser, emissão estimulada, ganho óptico, bombeamento, estado metaestável, não equilíbrio, distribuição de Boltzmann, níveis de energia.