Láser

Emisión estimulada, inversión de población y umbral de funcionamiento de un láser.

Contexto conceptual

Un láser no es simplemente una lámpara intensa: es una fuente que organiza la emisión de luz mediante un medio activo, una cavidad y una condición de umbral. El fenómeno clave es que un fotón ya presente puede inducir a una partícula excitada a emitir otro fotón coherente. Por eso la $R_est$ no depende solo de que haya energía almacenada, sino de que exista $\Delta_{N}$ y de que la cavidad recircule la radiación el tiempo suficiente. La pregunta central es qué ocurre con la $P$ cuando la $g$ supera la $g_th$.

🟢 Nivel esencial

Un láser empieza a comportarse como láser cuando el medio activo amplifica la luz más de lo que la cavidad la pierde.

Antes del umbral, puede haber emisión espontánea y algo de luz, pero no un haz estable, coherente y reforzado. La $g$ mide la capacidad del medio para aumentar la radiación que ya circula; la $g_th$ marca el mínimo necesario para compensar $\alpha$. Cuando la $g$ queda por encima de ese valor, la energía almacenada en la $\Delta_{N}$ puede transformarse en $P$. En el modelo simple, ese crecimiento es casi lineal: cuanto más excede el umbral la ganancia neta, más potencia sale del haz. La $\eta_{s}$ indica la inclinación de esa subida. Así, el umbral separa ruido luminoso de oscilación organizada. Es como un micrófono acercado demasiado a un altavoz: por debajo de cierto volumen no pasa nada especial, pero al cruzar el umbral de realimentación aparece un pitido autosostenido que se organiza solo, sin necesitar más señal externa.

🔵 Nivel formal

Fórmulas básicas

El modelo reúne tres capas: fotón, medio activo y cavidad. La energía individual de cada fotón queda fijada por la $f$ del modo láser y por la $h$.

Energía de un fotón

El color o región espectral se conecta con la $\lambda$ mediante la $c$, y en el medio también interviene $n$ si se analiza la fase interna de la cavidad.

Relación entre longitud de onda y frecuencia

La condición microscópica de amplificación se resume con la $\Delta_{N}$, diferencia entre $N2$ y $N1$.

Inversión de población

La radiación ya presente, descrita por $\rho$, induce emisión adicional con un peso controlado por $B$ y por la $R_est$.

Tasa de emisión estimulada

Preguntas reales del alumno

¿Por qué no basta con tener muchas partículas excitadas? Porque sin $\Delta_{N}$ útil, cavidad y realimentación, la emisión puede ser espontánea y desordenada.

¿Por qué existe un umbral? Porque cada vuelta por la cavidad pierde energía por espejos, absorción y dispersión; la $g$ debe compensar esas $\alpha$.

¿La $P$ crece siempre sin límite? No. El tramo lineal es una aproximación sobre umbral; a alta potencia aparecen saturación, calentamiento y límites de material.

¿Cambiar la $\lambda$ cambia la potencia? Puede hacerlo indirectamente, porque cambia la transición activa, la cavidad, las pérdidas y la eficiencia.

Síntesis final

Un láser es una máquina de umbral: transforma inversión y realimentación en luz coherente. La idea central es leer la $P$ como respuesta a la ganancia neta, no como simple brillo.