Che cos'è un laser a tre livelli?
Un laser generalmente emette luce attraverso un tipo di amplificazione. I fotoni atomici possono essere manipolati per concentrare l'energia della luce in una piccola area o dirigerla su grandi distanze. Il metodo in cui l'energia viene diretta nel raggio di luce per amplificarlo viene chiamato pompaggio e una pompa laser in genere stimola le particelle verso uno stato di energia più elevato. Ogni stato è spesso indicato come un livello; un laser a tre livelli, ad esempio, può dirigere la luce in tre diversi stadi prima di essere emesso. Tale configurazione viene spesso utilizzata per garantire che il raggio sia al livello di potenza desiderato.
L'energia utilizzata in un laser in genere eccita le particelle di fotoni, ma può anche avere la reazione opposta. In un laser a tre livelli, la luce viene trasferita da uno stato di riposo a un livello di energia elevato; nel secondo stadio questa energia decade, ma nessuna radiazione viene emessa. Generalmente, non più della metà delle particelle ha abbastanza energia in questo processo. Gli ingegneri hanno progettato sistemi in grado di renderli più energici del necessario. Lo stadio finale è l'attivazione del raggio laser e una rapida caduta dell'energia delle particelle si verifica in genere quando le particelle vengono emesse.
Dopo che il raggio è sparato, il livello di energia normalmente diminuisce al suo stato più basso. Lo stato fondamentale di un laser a tre livelli è quindi chiamato livello laser inferiore, o E1, che di solito è anche lo stato del sistema dopo l'emissione. L'energia viene spesso diretta al livello E3 direttamente da E1, mentre il livello laser superiore, chiamato E2, si verifica in genere appena prima dell'attivazione del raggio.
L'uso di solo metà degli elettroni richiede generalmente che venga aggiunta più potenza al laser a tre livelli. Gran parte dell'energia passa a uno stato inferiore senza emettere luce o altre radiazioni, che è generalmente abilitata dal trasporto di energia da parte di particelle chiamate fotoni reticolari. Questo tipo di laser, quindi, di solito non è efficiente come alcune altre varietà.
Gli stati energetici di ogni livello durano per frazioni di secondo, nonostante i sostanziali guadagni e perdite che possono verificarsi. Un altro fenomeno che si verifica spesso in un laser a tre livelli è l'inversione della popolazione, in cui la quantità di particelle in uno stato di energia superiore è maggiore di quelle negli stati inferiori. L'amplificazione della luce è in genere il risultato. Questi stati energetici, tuttavia, sono raggiunti solo in una parte delle particelle in questo tipo di laser, quindi a volte l'efficienza energetica deve essere affrontata.