Emissão estimulada
Em óptica, a emissão estimulada é o processo pelo qual um átomo, quando perturbado por um fóton que incide sobre ele, emite um outro fóton. O fóton causador da perturbação não é destruído no processo e o segundo fóton é criado com a mesma fase, frequência, polarização e direção do fóton original. A emissão estimulada é essencialmente um fenômeno da mecânica quântica que pode ser compreendido a partir do princípio da conservação da energia. O processo pode ser pensado como uma amplificação óptica e é a base do funcionamento do laser e do maser.
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O fenômeno da emissão estimulada foi previsto teoricamente por Albert Einstein em dois artigos publicados em 1916 e em 1917. Os primeiros experimentos que empregaram esse fenômeno somente foram realizados na década de 1950 por Charles Townes, nos Estados Unidos, e por Nicolay Basov e Aleksandr Prokhorov, na União Soviética. Esses três físicos receberam o prêmio Nobel de Física em 1964.
Embora existam muitas formas de linhas possíveis, é comum para o modelo a função forma de linha espectral como uma distribuição de Lorentz: Este modelo é geralmente válido tanto quanto A função forma da linha, apesar da forma que ela toma, deve satisfazer a condição de normalização de alguma distribuição de probabilidade: O valor máximo da forma de linha lorentziana ocorre no centro da linha: É também conveniente definir a função forma de linha normalizada: que é adimensional, e que tem um valor máximo, também no centro da linha, de:
A emissão estimulada através da secção (em metros quadrados) é
Sob certas condições, a emissão estimulada pode fornecer um mecanismo físico para a amplificação óptica . Uma fonte externa de energia estimula os átomos no estado fundamental para a transição para o estado excitado, criando o que é denominado inversão de população. Quando a luz de freqüência apropriada passa através do meio invertido, os fótons estimulam os átomo excitados a emitir fótons adicionais de mesma frequência, fase e direção, resultando em uma amplificação da intensidade de entrada. A inversão de população, em unidades de átomos por metro cúbico, é: onde g1 e g2 são as degenerescências dos níveis de energia 1 e 2, respectivamente.
Equação do ganho de sinal pequeno
A intensidade (em watts por metro quadrado) da emissão estimulada é governada pela seguinte equação diferencial: Agrupando os primeiro dois fatores, esta equação é simplificada como: é o coeficiente de ganho do pequeno sinal (em unidades de radianos por metro). Nós podemos resolver a equação diferencial usando separação de variáveis:
Intensidade de saturação
A intensidade de saturação IS é definida como a intensidade de entrada em que o ganho do amplificador óptico cai para exatamente metade do ganho do sinal pequeno. Nós podemos considerar a intensidade de saturação como
Equação de ganho Geral
A forma geral da equação de ganho, que aplica apesar de tudo da intensidade de entrada, deriva da equação diferencial geral para a intensidade I como função da posição z no meio ganho: onde I S {\displaystyle I_{S}} é a intensidade de saturação. Para resolver, nós primeiro rearranjamos a equação em ordem para separar as variáveis, intensidade I e posição z: O ganho G do amplificador é definido como a intensidade óptica I na posição z dividida pela intensidade de entrada: Substituindo esta definição na equação anterior , nós encontramos a equação de ganho geral:
Aproximação do sinal pequeno
No caso especial onde o sinal de entrada é pequeno comparado à intensidade de saturação, em outras palavras, então a equação de ganho geral dá o ganho do sinal pequeno como que é idêntica à equação de ganho de sinal pequeno (ver acima).
Comportamento assintótico de sinal grande
e a equação de ganho geral aproxima-se de uma assintótica linear.
