II. AMPLIFICADORES Y OSCILADORES ÓPTICOS En raras ocasiones nos hallaremos en una situación en la que debamos considerar la interacción de un solo átomo con un solo fotón, tal como hemos hecho en el capítulo anterior. En vez de esto tendremos la interacción de un gran número de fotones con una enorme cantidad de átomos. Debemos por tanto discutir esta última situación y obtener resultados que nos permitan saber cuál será el resultado neto de la interacción entre grandes cantidades de átomos con fotones para posteriormente comprender qué es un amplificador y un oscilador láser. ABSORCIÓN Y AMPLIFICACIÓN DE LUZ En esta sección discutiremos cómo podemos describir la interacción de grandes cantidades de fotones con átomos. Consideremos un flujo S de fotones propagándose a lo largo de una cavidad cilíndrica de longitud L, tal como se muestra en la figura II.1.
Figura II.1. Supondremos que dicha cavidad tiene N átomos por unidad de volumen de los cuales una cantidad N2 son átomos que se encuentran en su estado excitado y N1 en su estado base, que se representan como puntos blancos o negros, respectivamente, en la figura II.1. Esto es, el número total de átomos por unidad de volumen N está dado por la suma de los que se encuentran en el estado excitado N2 y aquellos que están en su estado base N1:
N = N1 + N 2 Al propagarse el flujo S de fotones a través de la cavidad y entrar en interacción con átomos que estén excitados, ocurrirá el proceso de emisión estimulada. Como hemos visto en el capítulo anterior, este proceso traerá como consecuencia la amplificación del flujo inicial de fotones S. Esto debido a que, como ya sabemos, cada fotón del flujo incidente que interactúe con un átomo