En láser, ¿por qué los electrones caen en estado metaestable en lugar de volver al estado fundamental?

Este no es solo el caso del láser, sino la naturaleza en general.

Como otros declararon, no todas las transiciones son igualmente probables. Y puede suceder que la transición del estado excitado superior al estado excitado inferior sea más probable.

La probabilidad de transición es proporcional a la superposición de probabilidad de los estados cuánticos.

Supongo que ya sabes que los electrones y todos los objetos cuánticos no están ubicados, sino que se describen mediante la función de probabilidad de densidad. Que se define en todo el espacio pero que solo tiene una parte significativa en una parte bastante localizada del espacio.

Puedes imaginar que los estados siempre están ahí. Y se pueden llenar o vaciar. Todavía se superponen. Si hay una superposición de estado ocupado y vacío, entonces la transición es posible. Y la probabilidad es proporcional a esta superposición.

De lo que escribí puede deducir que todas las posibles transiciones son posibles … (algunas bajo condiciones de emisión / absorción de energía y / o impulso) … pero algunas tienen una probabilidad tan pequeña que son prácticamente imposibles.

En esta imagen, imagine las dos curvas gaussianas para separarse. Y la superposición es proporcional a la probabilidad de transición.

No todas las transiciones entre estados de electrones son igualmente probables. Es posible diseñar 3 sistemas de estado en los que los electrones en el estado medio solo se descomponen lentamente de manera espontánea al estado fundamental y donde el estado de alta energía casi nunca se descompone en el estado fundamental, sino que es fácil en el estado medio.

El bombeo de electrones desde el estado fundamental al estado de alta energía puede causar una inversión de la población de electrones donde hay más electrones en el estado medio que en el estado fundamental. En tal situación, un haz de luz (donde la energía del fotón coincide con la diferencia de energía entre el suelo y el estado medio) experimentará una ganancia a través del proceso de emisión estimulada. Básicamente, un fotón puede ser copiado por un electrón en descomposición al estado fundamental. Más electrones decaerán al estado fundamental que los que se excitan desde el estado fundamental al estado medio, debido a la inversión de la población y, por lo tanto, tiene ganancia / amplificación óptica. Golpea un espejo a cada lado y el haz de luz seguirá atravesando el área de ganancia y se amplificará hasta que la inversión de población se agote a pesar de la bomba. Haga 1 espejo ligeramente transparente para permitir que el rayo láser escape de forma leve y continua y tenga un láser.

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