ABSORCIÓN Y AMPLIFICACIÓN ÓPTICA

De la creación y aniquilación de fotones



Debemos ahora considerar la interacción no entre un átomo y un fotón, sino entre una gran cantidad de fotones y un gran número de átomos desde una perspectiva más real. La figura II.6 muestra una cavidad en la que se encuentran N átomos de los cuales una cantidad N₂ son átomos que están en su estado excitado y N₁ son átomos que se encuentran en su estado base o no excitado. Al propagarse un flujo S de fotones a través de la cavidad y entrar en interacción con átomos que están excitados, ocurrirá el proceso de emisión estimulada. Como hemos visto, este proceso traerá como consecuencia la amplificación del flujo inicial de fotones S. Esto se debe a que, como ya sabemos, cada fotón de flujo incidente que interactúe con un átomo inicialmente excitado dará origen, por medio del proceso de emisión estimulada, a la emisión de un segundo fotón junto con la transición del átomo del estado excitado al estado base o no excitado. Sin embargo, debido a que en dicha cavidad también hay átomos que se encuentran en su estado base, al interactuar el flujo de fotones con estos átomos ocurrirá el proceso de absorción de fotones y ocasionará una disminución del flujo inicial S de fotones. Esto se debe a que cada fotón que interactúe inicialmente con un átomo en su estado base, será absorbido por dicho átomo y éste pasará a un estado excitado.
En la práctica debemos considerar simultáneamente los procesos de emisión y de absorción. El primero tiende a amplificar el flujo incidente dependiendo de la cantidad de átomos que se encuentren en el nivel superior N₂, mientras que el segundo tiende a disminuir el flujo incidente dependiendo de la cantidad de átomos que se encuentren en el nivel base N₁. Al considerar de manera simultánea los dos procesos, el resultado final depende de la cantidad de átomos que se encuentran tanto en el estado excitado como en el estado base. Si estas cantidades son iguales; tendremos entonces que, en promedio, la amplificación y la absorción que sufre el pulso inicial son iguales, y por tanto el flujo final no será ni mayor ni menor que el flujo de fotones inicialmente incidente. Esto es, si


N₂ = N₁, el cambio neto del flujo de fotones es cero, es decir, la cantidad de fotones que sale de la cavidad cilíndrica mostrada en la figura II.6 es la misma que la que entró.

                                          Figura II. 6.

Por otra parte, si el número de átomos excitados N₂ que hay en la cavidad es menor que el número de átomos en su estado base N₁, el resultado promedio total será de una reducción del flujo inicial de fotones. Esto es, si


N₂ < N₁, el flujo inicial de fotones será absorbido. Ello implica que a lo largo de su propagación por la cavidad cilíndrica mostrada en la figura II.6, el flujo inicial de fotones disminuye como se muestra en la figura II.7.

                                         Figura II. 7.

Finalmente, si el número de átomos excitados N₂ que hay en la cavidad es mayor que el número de átomos en estado base N₁, el resultado promedio total será de un incremento al flujo inicial de fotones. Es decir, si


N₂ > N₁, el flujo inicial de fotones se incrementará a lo largo de su propagación por la cavidad cilíndrica mostrada en la figura II.6. El flujo de fotones es entonces ampliado por el medio, como se muestra en la figura II.8.


                                         Figura II. 8.

AMPLIFICADORES ÓPTICOS



La reproducción fotónica



Con lo antes mencionado podemos ahora comprender la operación de un amplificador óptico, también conocido como amplificador láser. Este es un sistema que proporciona a la salida un flujo final de fotones S_f mayor que el flujo inicial S_i. Dichos amplificadores ópticos generalmente tienen un aspecto similar al mostrado en la figura II.6, es decir, cilíndrico. Por un extremo entra un flujo inicial de fotones y por otro sale el flujo final de fotones amplificado.
Como vimos en la sección anterior, la condición necesaria para tener amplificación del flujo inicial de fotones S₁, es que el número de átomos excitados N₂ que se encuentra en la cavidad amplificadora sea mayor que el número de átomos que se encuentra en su estado base N₁. La condición anterior se conoce como inversión de población y el problema central para la realización práctica de un amplificador óptico está en cómo lograrla. Es decir, el problema es conseguir que la mayoría de los átomos que se encuentra en la cavidad amplificadora pase de su estado base, que es el estado normal en que cualquier átomo se encuentra cuando no es perturbado, a un estado excitado.
Para lograr dicha inversión de población es necesario algún dispositivo que proporcione la energía que los átomos de la cavidad amplificadora requieren para pasar de su estado base a un estado excitado. Este dispositivo recibe el nombre de sistema de bombeo y puede ser de varios tipos, aunque los más usuales son de tipo óptico o de tipo eléctrico.
Lo que se tiene en el caso de un sistema de bombeo de tipo óptico es la cavidad amplificadora circundada por una o varias lámparas luminosas de destello flash muy potentes. Al ser disparadas dichas lámparas, los fotones que emiten son absorbidos por los átomos de la cavidad amplificadora, los cuales pasan de su estado base a un estado excitado. Con ello se logra la inversión de población. La figura II.9 muestra la sección transversal de dos posibles arreglos para colocar las lámparas flash en un amplificador bombeado ópticamente.

                                            Figura II. 9.

En un sistema de bombeo de tipo eléctrico se produce una intensa descarga eléctrica en los átomos que se encuentran en la cavidad amplificadora. De este modo, los energéticos electrones de la descarga transfieren parte de su energía por colisiones electrón-átomo a los átomos contenidos en la cavidad, logrando que éstos pasen de su estado base a uno excitado. Así se da la inversión de población. La figura II.10 muestra la sección transversal de un amplificador óptico bombeado eléctricamente, usando un cañón de electrones.

                                     Figura II. 10.

Para amplificar un pulso de luz usando un amplificador óptico dotado de un sistema de bombeo óptico o eléctrico, se sincroniza el paso del pulso de luz con el disparo del sistema de bombeo. Es importante que estos dos hechos estén perfectamente sincronizados, pues si el sistema de bombeo se dispara antes o después de que llegue el pulso de luz al amplificador, este pulso no será amplificado. La figura II.11 muestra la simulación computacional de la amplificación de un pulso de luz que pasa a través de un amplificador óptico. Pueden observarse el pulso inicial y el pulso final amplificado.






                                       Figura II. 11.

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