Principios de análisis instrumental

152 Capítulo 7 Componentes de los instrumentos ópticos «< Emisión espontánea. Como ya se mencionó en el estudio sobre fluorescencia (sección 6C.5), una especie en un estado electrónico excitado podría perder todo el exceso de energía o parte de él por emisión espontánea de radiación, como se ilustra en el diagrama de árbol de la figura 7.5b. Tenga en cuenta que la longitud de onda de la radiación de fluorescencia está dada por la relación A = he! (Ey - Ex), donde h es la constante de Planck y e la velocidad de la luz. También es fundamental destacar que el instante en el cual ocurre la emisión y la trayectoria que sigue el fotón resultante, varía de molécula a molécula porque la emisión espontánea es un proceso aleatorio; por consiguiente, la radiación de fluorescen– cia producida por una de las especies de la figura 7.5b(l) difiere en dirección y fase de la producida por la segunda especie de la figura 7.5b(2). Por tanto, la emisión espontánea genera radiación monocromática incoherente. Emisión estimulada. Esta emisión es la base del comporta– miento del rayo láser, que se ilustra en la figura 7.5c, donde las especies láser excitadas son golpeadas por fotones con las mismas energías precisamente (Ey - EJ que los fotones producidos por emisión espontánea. Los choques de este tipo ocasionan que las especies excitadas se relajen de inmediato y bajen al estado ener– gético inferior al emitir de manera simultánea un fotón con exac– tamente la misma energía que aquel que estimuló este proceso. De igual importancia es que el fotón emitido viaja en la misma dirección y está precisamente en fase con el fotón que ocasionó la emisión. Por tanto, la emisión estimulada es del todo coherente con la radiación que entra. Absorción. El proceso de absorción, que compite con la emisión estimulada, se ilustra en la figura 7.5d. En él, dos fotones cuyas energías son exactamente iguales a (Ey - Ex) son absorbidos para producir el estado excitado metaestable que se describe en la figura 7.5d(3). Tenga en cuenta que este estado es idéntico al que se obtuvo en la figura 7.5a(3) por bombeo. Emisión estimulada "' Absorción t t t ~ N\r Emisión estimulada 1 1 1 1 1 1 1 • • 1 1 1 1 1 1 1 • • 1 1 1 1 1 1 1 • • • t t 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ~ • """ Absorción Inversión de la población y amplificación de luz Para que haya amplificación de luz en un rayo láser, el número de fotones producidos por emisión estimulada tiene que sobrepasar la cantidad perdida por absorción. Esta condición prevalece sólo cuando la cantidad de partículas en el estado energético superior excede la cantidad en el inferior; en otras palabras, debe haber una inversión de la población a partir de la distribución normal de los estados energéticos. Las inversiones de la población se crean por bombeo. En la figura 7.6 se comparan los efectos de la radia– ción entrante de una población no invertida con la de una que sí está invertida. En cada caso, nueve moléculas de medio láser están en los dos estados Ex y Er En el sistema no invertido, tres moléculas están en el estado excitado y seis están en el nivel ener– gético inferior. El medio absorbe tres de los fotones que entran para producir otras tres moléculas excitadas, las cuales luego se relajan con rapidez y llegan a un estado fundamental, sin que se logre una inversión de la población en estado estable. La radiación podría estimular la emisión de dos fotones a partir de moléculas excitadas, que da como resultado la atenuación neta del haz por un fotón. Como se observa en la figura 7.6b, el bombeo de dos moléculas en los estados virtuales E, seguido por una relajación a Ey crea una inversión en la población entre Ey y Ex. Por consi– guiente, el diagrama muestra seis electrones en estado Ey y sólo tres electrones en Ex. En el sistema invertido, prevalece la emisión estimulada sobre la absorción para producir una ganancia neta en fotones emitidos. Ocurre entonces la amplificación de la luz o la generación de rayos láser. Sistemas láser de tres y cuatro niveles En la figura 7.7 se muestran diagramas energéticos simplificados para dos sistemas láser comunes. En el sistema de tres niveles, la transición causante de la radiación láser está entre un estado exci– tado Ey y el estado fundamental E 0 ; en cambio, en un sistema de cuatro niveles, la radiación es generada por una transición desde Ex a) Mr Ex b) Atenuación de la luz por absorción Amplificación de la luz por emisión estimulada FIGURA 7.6 Paso de radiación a través de a) una población no invertida y b) una población invertida creada por la excitación de electrones hacia estados virtuales por una fuente de energía externa (bombeo).