AMPLIFICACION OPTICA

AMPLIFICACION OPTICA

Los procesos de interacción entre radiación y materia son: i) absorción, ii) emisión espontanea, iii) emisión estimulada. En el proceso de absorción un fotón interactúa con un átomo cuyo estado energético inicialmente es inferior (a lo que llamaremos E1), resultado de esta interacción el átomo absorbe energía del fotón y pasa a un estado superior E2. Por otro lado, en el proceso de emisión espontanea un átomo que se encuentra en un estado energético excitado E2 después de un tiempo determinado (5τR) tiene un 99% de probabilidad de que dicho átomo pase a un estado E1 emitiendo un fotón resonante, la contante τR es conocida como constante de tiempo de decaimiento radiactivo. El proceso de amplificación estimulada hace uso de la emisión estimulada, este proceso fue propuesto por Einstein en 1917 y ocurre cuando hay una interacción entre un fotón resonante (el tipo de radiación que desea ser ampliada) y un átomo cuyo estado energético es E2, el resultado de dicha interacción es que el átomo pasa a un estado E1 y dos fotones resonantes son emitidos en dicho proceso, uno debido a la diferencia de energía entre los niveles energéticos y el otro el fotón inicial.

[pic 1]

En un grupo de N átomos en los cuales N1 es el número de átomos en el estado energético inferior y N2 el número de átomos en el estado superior, la diferencia N2-N1 es conocida como inversión de población. Para el caso de que N2 > N1 la inversión es positiva y en caso contrario la inversión es negativa. Para poder realizar el proceso de amplificación láser es necesario que la inversión de población sea positiva pues para un caso contrario lo que ocurrirá será una absorción de fotones.

Pensemos en un conjunto de átomos todos ellos en el estado E2, de esta forma supongamos que un fotón incidente en alguno de estos átomos tendremos como resultado dos fotones resultados de la emisión estimulada. Podemos suponer entonces que este proceso puede ser repetido por esos mismos dos fotones dando un total de 4 fotones resultantes los cuales siguiendo el mismo proceso serán convertidos en ocho fotones y así sucesivamente. Veamos entonces que después de repetir este proceso n veces el numero de fotones resultantes es 2n.

[pic 2]

En el caso de un amplificador óptico el incremento de la densidad por unidad de longitud dI/dZ se describe por medio de la ecuación exponencial.

[pic 3]

Esta ecuación descrine un proceso de amplificación exponencial en donde  es conocido como coeficiente de amplificación, coeficiente de ganancia sin saturación o coeficiente de ganancia de pequeña señal, por unidad de longitud. El valor de  para átomos cuyos niveles energéticos E2 y E1 viene dado por.[pic 4][pic 5]

[pic 6]

Donde  es la sección transversal de emisión estimulada:[pic 7]

...