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Lasers – inversão de população e emissão estimulada

FísicaFísica quântica e nuclearIdades 17–18

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Usar com minha turma

Simule um laser de hélio-neônio (quatro níveis, bombeado por uma descarga elétrica) e um laser de rubi (três níveis, bombeado por uma lâmpada de flash). Aumente a potência de bombeio até os átomos se acumularem no nível metaestável e a população ficar invertida; quando o ganho em cada ida e volta supera as perdas nos espelhos, a emissão estimulada forma um feixe coerente. A vista de um único átomo mostra a absorção e as emissões espontânea e estimulada, e uma terceira vista compara o espectro, a fase e a intensidade da luz laser com as de uma lâmpada.

Aula: Lasers: emissão estimulada, inversão de população e limiar

O que mostra

Um laser amplifica a luz por emissão estimulada: um fóton que passa por um átomo excitado o faz emitir outro idêntico (mesmo comprimento de onda, fase e direção). Para a emissão predominar, o nível superior precisa ter mais átomos que o inferior (inversão de população). O bombeio leva os átomos a um nível alto, de onde caem logo para um nível metaestável de vida longa. Dois espelhos fazem os fótons irem e voltarem; o laser começa a funcionar quando o ganho por ida e volta supera as perdas. O He–Ne, de quatro níveis, atinge o limiar muito mais facilmente que o rubi, de três. Os valores são ilustrativos.

Como usar

Na aba Laser, escolha He–Ne ou Rubi, aumente a Potência de bombeio e mude o Espelho de saída R; observe as populações dos níveis e clique em Registrar ponto para traçar a potência de saída em função do bombeio. Em Um único átomo, clique em Bombear e depois em Enviar um fóton para ver a absorção ou a emissão estimulada. Em Laser vs. lâmpada, mova a Distância d para comparar as intensidades.

Parâmetros que você pode mudar

  • Vista Laser, Um único átomo, Laser vs. lâmpada
  • Meio ativo He–Ne (gás), Rubi (cristal)
  • Potência de bombeio 0–100 %
  • Refletividade do espelho de saída R 80–99,9 %
  • Distância até a tela 1–1000 m

Perguntas para explorar

  1. Por que o nível superior do laser precisa ser metaestável?
  2. Por que o laser de rubi precisa de um bombeio muito mais forte que o laser de He–Ne?
  3. Por que o espelho de saída deixa passar um pouco de luz em vez de refletir toda ela?

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