¿Qué son la emisión espontanea, la emisión estimulada y la inversión de población?

Para comprender con detalle cómo funcionan los láseres hay que entender primero cómo se produce la emisión de luz a nivel de los átomos y, por tanto, hay que saber lo que es un átomo. Un átomo se puede considerar como un núcleo alrededor del cual se mueven unos electrones con unas energías bien determinadas. Los electrones no pueden poseer cualquier valor de la energía sino solamente unos valores bien definidos que se identifican como niveles, algo así como los peldaños de una escalera. Ahora bien, un electrón puede pasar de un nivel de energía a otro emitiendo o absorbiendo una unidad de luz (llamada fotón) con una energía igual a la diferencia entre los dos niveles de la transición.

átomo
El átomo se puede considerar como un núcleo rodeado por electrones que se mueven con unas energías bien definidas. 

Cuando un electrón se encuentra en un nivel de energía elevado, tiende a caer espontáneamente a un nivel de energía inferior con la subsiguiente emisión de luz. Esto es lo que se llama emisión espontánea y es la responsable de la mayor parte de la luz que vemos. Por otro lado, un fotón puede estimular la caída de un electrón a un nivel inferior si tiene una energía igual a la diferencia entre los dos niveles, en ese caso se emitirá un segundo fotón idéntico al que ha inducido la transición. Esta es la llamada emisión estimulada. El proceso contrario, aquel en el que el fotón se absorbe induciendo la subida de un electrón a un nivel de energía superior, se llama absorción estimulada.

El hecho de que la emisión estimulada produzca dos fotones idénticos a partir de un fotón inicial es precisamente lo que permite amplificar la luz y es también responsable de que la luz generada por emisión estimulada sea coherente, es decir que las ondas electro-magnéticas que forman el haz de luz marchen “al paso”. Pero, para que sea posible amplificar la luz por emisión estimulada, es necesario además que en el medio activo haya un número mayor de electrones en el nivel de energía superior que en el inferior; esto es lo que se llama inversión de población. Si por el contrario hubiera más electrones en el nivel inferior que en el superior, entonces predominaría la absorción, y el medio amortiguaría la energía de la luz en vez de amplificarla.

La inversión de población es el “principio vital” de los láseres, y se consigue mediante el bombeo adecuado de ciertos materiales con niveles de energía electrónicos metaestables, es decir, con niveles de energía en los cuales los electrones tardan un tiempo relativamente largo en desexcitarse por emisión espontánea, lo cual favorece precisamente la acumulación de electrones en el estado de energía superior.

Emisiones
La luz láser se amplifica por emisión estimulada: por cada fotón incidente se producen dos fotones idénticos.

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