¿Cómo se produce la emisión estimulada en los láseres de 3 niveles?

Tengo entendido que en los láseres de 3 niveles, bombeamos una colección de átomos desde el estado fundamental de energía. mi 1 a algún estado excitado mi 3 con la ayuda de la radiación monocromática de Energía mi 3 − mi 1 . Luego, los átomos en el estado excitado hacen una transición rápida y preferiblemente no radiativa a un estado metaestable. mi 2 , después de lo cual los átomos regresan al estado fundamental emitiendo fotones de energía mi 2 − mi 1 . ¿Esta emisión es espontánea o estimulada? Si esto es realmente solo espontáneo, entonces los fotones deben salir en diferentes direcciones que no se ven en el láser, por lo que la emisión estimulada debe estar ocurriendo de alguna manera... Pero para obtener radiación estimulada, necesitamos estimular los átomos en el nivel metaestable 2, con radiación. de energía mi 2 − mi 1 lo cual no hacemos. (Solo bombeamos de 1 a 3, nada de 1 a 2). Entonces, si la emisión estimulada ocurre, ¿cómo ocurre sin ninguna radiación estimulante entrante?

Supongo que dado que los estados metaestables se toman muy cerca del estado excitado (por otras razones), entonces mi 3 − mi 1 ≈ mi 2 − mi 1 .Entonces podemos bombear los átomos con una luz casi monocromática (con una pequeña dispersión), de modo que la frecuencia adecuada de la radiación incidente también pueda estimular junto con el bombeo. ¿Es correcta esta emisión estimulada o se produce de alguna otra forma en los láseres de 3 niveles?

Respuestas (2)

Todo lo que necesita hacer es iniciar la emisión estimulada en la dirección correcta. Una vez que comience, será autosuficiente si la ganancia (población en el nivel 2) es lo suficientemente alta.

La pregunta entonces es: ¿cómo comienza?

La respuesta es emisión espontánea . Es cierto que la luz de emisión espontánea se emite en todas las direcciones, pero una de esas direcciones es justo a través de la cavidad en la dirección correcta. Y si la población de 2 es alta, lo cual sucederá si esperamos tener suficiente ganancia para soportar el láser, habrá mucha emisión espontánea y la probabilidad de que un fotón vaya en la dirección correcta es muy alta.

En principio, solo necesitas un fotón espontáneo.

Por cierto, sugieres que bombear de 1 a 2 produciría la emisión estimulada que necesitas para empezar. De lo contrario. El bombeo de 1 a 2 produce una absorción estimulada que es un mecanismo de pérdida, no un mecanismo de ganancia.

Entiendo la primera parte y su respuesta a mi pregunta original. En cuanto a la sugerencia, lo que realmente quise decir es que si damos un rango de frecuencias, algo de eso también podría usarse para estimular el nivel 2. ¿Puede eso pasar?
Sí, eso puede suceder, pero desafortunadamente no nos hace ningún bien. Respondí una pregunta similar hace un tiempo. Su sugerencia está en esa respuesta bajo la apariencia del haz de bomba de alta intensidad (conducción 1 -> 2 transiciones). La respuesta explica por qué eso no nos beneficia y por qué el bombeo debe estar en la transición 1--> 3.

ingrese la descripción de la imagen aquí

La imagen que muestro aquí se puede encontrar en mi tesis y las referencias de los datos están allí ( tesis aquí ). La imagen de la izquierda muestra la sección transversal de ganancia de Yb:YAG, típicamente un sistema de casi tres o tres niveles, con la estructura de energía a la derecha. A la izquierda, las diferentes curvas son para un sistema en estado fundamental a temperatura ambiente ( β = 0 ) hasta inversión total ( β = 1 ). Si bombea el sistema a 969 nm (Low1 a Up1), tiene un verdadero sistema de 3 niveles, bombeado a 940 nm, un sistema de casi tres niveles.

Entonces, está confundiendo algunos términos y conceptos de láseres, y su pregunta se aplicaría a los sistemas láser de cuatro y tres niveles.

Primero: como explicó Garyp, debe comprender que la emisión estimulada solo ocurre en la diferencia de energía exacta, como en su caso mi 2 − mi 1 por ejemplo, y que el dispositivo construido alrededor de su medio es lo que crea una retroalimentación positiva para que ocurra la amplificación: un fotón se emite espontáneamente en la dirección de su cavidad láser y se refleja de nuevo en el medio, lo que permite que este fotón ahora induzca estimulado emisión de la misma energía.

En segundo lugar, si puede aclarar que la confusión de que la emisión estimulada realmente ocurre para una sola energía, entonces comprende que su segunda pregunta es producto de esa confusión.

Verá, no necesita la bomba ni ningún otro mecanismo para iniciar el proceso de siembra para la amplificación estimulada, porque construye un resonador alrededor de su medio para permitir la retroalimentación positiva, para atrapar cualquier fotón que se emita espontáneamente y que se emita en el dirección de la cavidad del láser.

En un sistema, desea desacoplar la absorción de la bomba, a través de la absorción estimulada, como mencionó Garyp, del láser real a una longitud de onda más alta (por varias razones técnicas). Mira el caso de la imagen que te mostré. Bombeo a 969nm, una longitud de onda (o frecuencia, si la conviertes) en una línea que es estrecha y absorbe la mayor parte de la luz... Ahora el sistema obtiene una inversión de población: tomo electrones del nivel Low1 al nivel Up1 . Esto crea un desequilibrio entre las poblaciones de Up1 y Low3 (la longitud de onda a la que estaba operando mi láser), donde Up1 tiene más electrones que Low3. Ahora, la emisión espontánea, entre esos niveles, comienza a ocurrir, si algún fotón se encuentra en la dirección de mi cavidad, entonces se amplifica ya que este fotón pasará muchas veces a través del medio de ganancia,

Algunos tecnicismos interesantes de Yb:YAG, operando a 1030 nm y bombeado a 969nm:

-Solo se puede lograr una inversión del 50% entre Low1 y Up1, en ese punto el medio se vuelve transparente: por cada fotón absorbido, en promedio, también se estimula uno.

-Cuando se bombea a esta longitud de onda, la diferencia entre las energías de los fotones de bombeo y los del láser es solo del 6 %, lo que la convierte en una de las diferencias más bajas de todos los láseres de estado sólido actuales. Esto asegura una deposición de energía térmica baja en el sistema después de que el nivel Low3 decae al nivel Low1.

Espero que esto haya ayudado a aclarar más confusiones.

Gracias por toda la información. Entonces, si entendí bien... uno de los fotones salientes formados en el proceso de emisión espontánea está actuando como la radiación incidente que inicia la emisión estimulada, haciendo que los átomos del estado metaestable pasen al estado fundamental, ¿verdad?
@ManasDogra exactamente.
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