Emisión inducida
Se denomina emisión inducida (estimulada) al proceso mediante el cual un fotón entrante de una frecuencia específica puede interactuar con un electrón atómico excitado (u otro estado molecular excitado), provocando que caiga a un nivel de energía más bajo.
La energía liberada se transfiere al campo electromagnético, creando un nuevo fotón con una fase, frecuencia, polarización y dirección de desplazamiento idénticos a los fotones de la onda incidente.
Esto contrasta con la emisión espontánea, que ocurre a una tasa característica para cada uno de los átomos/osciladores en el estado de energía superior independientemente del campo electromagnético externo.
[1] El proceso es idéntico en forma a la absorción atómica en la que la energía de un fotón absorbido provoca una transición atómica idéntica pero opuesta: del nivel más bajo a un nivel de energía más alto.
En la visión clásica, la energía de un electrón que orbita un núcleo atómico es mayor para las órbitas más alejadas del núcleo de un átomo.
Cuando un electrón se excita de un nivel de energía más bajo a uno más alto, es poco probable que permanezca así para siempre.
Cuando tal electrón decae sin influencia externa, emitiendo un fotón, eso se llama " emisión espontánea ".
La fase y la dirección asociadas con el fotón que se emite son aleatorias.
Un campo electromagnético externo a una frecuencia asociada con una transición puede afectar el estado mecánico cuántico del átomo sin ser absorbido.
En respuesta al campo eléctrico externo a esta frecuencia, la probabilidad de que el electrón entre en este estado de transición aumenta considerablemente.
Una transición del estado de mayor a menor energía produce un fotón adicional con la misma fase y dirección que el fotón incidente; este es el proceso de emisión estimulada .
La emisión estimulada también puede ocurrir en modelos clásicos, sin referencia a fotones o mecánica cuántica.
El fotón tendrá frecuencia ν 0 y energía hν 0 , dada por:
Alternativamente, si el átomo en estado excitado es perturbado por un campo eléctrico de frecuencia ν 0 , puede emitir un fotón adicional de la misma frecuencia y en fase, aumentando así el campo externo, dejando el átomo en el estado de menor energía.
En un grupo de tales átomos, si el número de átomos en el estado excitado viene dado por N 2 , la velocidad a la que se produce la emisión estimulada está dada por
Al mismo tiempo, habrá un proceso de absorción atómica que "elimina" la energía del campo mientras eleva los electrones del estado inferior al estado superior.
Por tanto, la absorción y la emisión estimulada son procesos inversos que avanzan a ritmos algo diferentes.
Otra forma de ver esto es mirar la emisión o absorción estimulada "neta" viéndola como un proceso único.
La tasa neta de transiciones de E 2 a E 1 debido a este proceso combinado se puede encontrar agregando sus tasas respectivas, indicadas anteriormente:
Por lo tanto, se libera una potencia neta en el campo eléctrico igual a la energía del fotón hν multiplicada por esta tasa de transición neta.
Aunque la energía generada por la emisión estimulada se encuentra siempre en la frecuencia exacta del campo que la ha estimulado, la ecuación de tasa anterior se refiere sólo a la excitación en la frecuencia óptica particular
Considerando sólo el ensanchamiento homogéneo que afecta a una resonancia atómica o molecular, la forma de la línea espectral se describe como una distribución Lorentziana
Por tanto, la emisión estimulada a frecuencias alejadas de
donde La emisión estimulada puede proporcionar un mecanismo físico para amplificación óptica.
Cuando la luz de la frecuencia apropiada pasa a través del medio invertido, los fotones son absorbidos por los átomos que permanecen en el estado fundamental o los fotones estimulan los átomos excitados para que emitan fotones adicionales de la misma frecuencia, fase y dirección.
La intensidad (en vatios por metro cuadrado) de la emisión estimulada se rige por la siguiente ecuación diferencial: siempre que la intensidad "I" ("z") sea lo suficientemente pequeña como para que no tenga un efecto significativo sobre la magnitud de la inversión de la población.
La emisión estimulada puede proporcionar un mecanismo físico para amplificación óptica.
Cuando la luz de la frecuencia apropiada pasa a través del medio invertido, los fotones son absorbidos por los átomos que permanecen en el estado fundamental o los fotones estimulan los átomos excitados para que emitan fotones adicionales de la misma frecuencia, fase y dirección.
La intensidad (en vatios s por metro cuadrado) de la emisión estimulada se rige por la siguiente ecuación diferencial: siempre que la intensidad "I" ("z") sea lo suficientemente pequeña como para que no tenga un efecto significativo sobre la magnitud de la inversión de la población.
Para señales de entrada grandes, donde la ganancia se acerca a la unidad y la ecuación de ganancia general se aproxima a una asíntota lineal:
