SEARA DA CIÊNCIA LASERS

Processos de Absorção e Emissão de Fótons

Para facilitar a visualização dos fenômenos de absorção e emissão de fótons por um átomo, usaremos uma representaçào gráfica. Você deve entender que isso é apenas um truque para simplificar nossa vida. Como todo modelo físico, é apenas uma "representação" do evento real.
Vamos, então, representar um átomo por uma bolinha no centro de uma caixa. Esse átomo imaginário pode ter dois estados, um com menor energia, chamado de estado fundamental, e outro, de maior energia, chamado de estado excitado. Um átomo real pode ter muito mais que apenas dois estados de energia mas, nessa simplificação, bastam dois.

O átomo no estado fundamental será representado por uma bolinha de cor azul e, no estado excitado, de cor vermelha. Tudo fictício, é óbvio, pois átomos não têm cores.

Einstein, na década de 20, identificou três processos através dos quais um átomo pode passar de um estado para o outro. Se o átomo estiver no estado fundamental é necessário fornecer a ele a energia certa para que ele passe ao estado excitado. Essa energia deve ser exatamente a diferença entre as energias dos dois estados.

Uma forma de fornecer essa energia é fazer incidir um feixe de luz sobre o átomo. Se a energia de um fóton constituinte da luz for exatamente igual à diferença de energia entre os dois estados do átomo, ele pode absorver esse fóton e passar do estado fundamental para o estado excitado.

Vamos reformular nossa descrição:

Um fóton de uma certa energia E incide sobre um átomo que está no estado fundamental. Se a energia E do fóton for exatamente igual à diferença entre a energia do estado excitado, E2, e a energia do estado fundamental, E1, isto é, E = E2 - E1, o átomo pode absorver o fóton e passar do estado de menor para o estado de maior energia.
Se a energia E do fóton for maior ou menor que a diferença E2 - E1, o fóton não pode ser absorvido e passa batido.1, é simbolizado pelo tracinho de baixo. A distância entre os tracinhos simboliza a diferença de energia E2 - E1. Se o átomo estiver no estado fundamental será simbolizado por uma bolinha no tracinho de baixo. É claro que você sabe como simbolizar o átomo no estado excitado.

O fóton é simbolizado por um traço ondulado com uma seta na ponta. Veja como é representado o processo de absorção de um fóton de energia E = E2 - E1.

Um átomo excitado, normalmente, não fica muito tempo nesse estado. A não ser que algum fator externo o impeça, depois de um tempo muito curto ele volta ao estado fundamental. Alguns estados excitados, porém, podem ter vida mais longa e são chamados de meta-estáveis. Eles são essenciais para o funcionamento do laser.

Só existe um processo de absorção de fótons mas existem dois processos de emissão. No processo chamado de emissão espontânea o átomo passa do estado excitado para o estado fundamental sem nenhuma ajuda externa, emitindo um fóton de energia E2 - E1. Mas, existe outro processo de desexcitação, chamado de emissào estimulada, no qual a desexcitação é induzida por um fóton que tem exatamente a energia E = E2 - E1. O fóton estimulador passa incólume, sem perder nem ganhar nenhuma energia, mas provoca a emissão (estimulada) de outro fóton com a mesma energia.

Os dois fótons, estimulador e estimulado, são coerentes, isto é, têm a mesma freqüência, mesma fase e mesma polarização.

Agora você já sabe o suficiente para entender como funciona um laser.