Emisión estimulada

Se denomina emisión 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 medios normales en equilibrio térmico, la absorción excede la emisión estimulada porque hay más electrones en los estados de energía más baja que en los estados de energía más alta. Sin embargo, cuando hay una inversión de población , la tasa de emisión estimulada excede la de absorción y se puede lograr una amplificación óptica neta. Dicho medio de ganancia, junto con un resonador óptico, está en el corazón de un láser o máser. Sin mecanismo de retroalimentación, amplificadores láser.y las fuentes superluminiscentes también funcionan sobre la base de la emisión estimulada.

Los electrones y sus interacciones con los campos electromagnéticos son importantes en nuestra comprensión de la química y la física. 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. Sin embargo, los efectos de la mecánica cuántica obligan a los electrones a adoptar posiciones discretas en los orbitales. Por lo tanto, los electrones se encuentran en niveles de energía específicos de un átomo, dos de los cuales se muestran a continuación:

Cuando un electrón absorbe energía de la luz (fotones) o del calor ( fonones), recibe ese cuanto de energía incidente. Pero las transiciones solo se permiten entre niveles de energía discretos, como los dos que se muestran arriba. Esto conduce a líneas de emisión y líneas de absorción.

Cuando un electrón se excita de un nivel de energía más bajo a uno más alto, es poco probable que permanezca así para siempre. Un electrón en un estado excitado puede decaer a un estado de menor energía que no está ocupado, de acuerdo con una constante de tiempo particular que caracteriza esa transición. 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 material con muchos átomos en tal estado excitado puede resultar en radiación que tiene un espectro estrecho (centrado alrededor de una longitud de onda de luz), pero los fotones individuales no tendrían una relación de fase común y también emanarían en direcciones aleatorias. Este es el mecanismo de fluorescencia y emisión térmica.

Un campo electromagnético externo a una frecuencia asociada con una transición puede afectar el estado mecánico cuántico del átomo sin ser absorbido. A medida que el electrón en el átomo hace una transición entre dos estados estacionarios (ninguno de los cuales muestra un campo dipolar), entra en un estado de transición que tiene un campo dipolar y que actúa como un pequeño dipolo eléctrico, y este dipolo oscila a una frecuencia característica. En respuesta al campo eléctrico externo a esta frecuencia, la probabilidad de que el electrón entre en este estado de transición aumenta considerablemente. Por lo tanto, la tasa de transiciones entre dos estados estacionarios aumenta más allá de la emisión espontánea. 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 fue un descubrimiento teórico de Albert Einstein ^[2]​^[3]​ en el marco de la antigua teoría cuántica, en la que la emisión se describe en términos de fotones que son los cuantos del campo electro magnético. La emisión estimulada también puede ocurrir en modelos clásicos, sin referencia a fotones o mecánica cuántica.^[4]​

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