O que é um laser de três níveis?

Um laser geralmente emite luz através de um tipo de amplificação. Os fótons atômicos podem ser manipulados para concentrar a energia da luz em uma área pequena ou direcioná-la a grandes distâncias. O método pelo qual a energia é direcionada para o feixe de luz para amplificá-lo é chamado de bombeamento, e uma bomba a laser normalmente estimula partículas para um estado de energia mais alto. Cada estado é frequentemente chamado de nível; um laser de três níveis, por exemplo, pode direcionar a luz em três estágios diferentes antes de ser emitida. Essa configuração é frequentemente usada para garantir que o feixe esteja no nível de potência desejado.

A energia usada em um laser normalmente excita as partículas de fótons, mas também pode ter a reação oposta. Em um laser de três níveis, a luz é transferida de um estado de repouso para um alto nível de energia; no segundo estágio, essa energia decai, mas nenhuma partícula é emitida como radiação. Geralmente, não mais da metade das partículas tem energia suficiente nesse processo. Os engenheiros projetaram sistemas que podem torná-los mais energéticos do que o necessário. O estágio final é a ativação do feixe de laser, e uma queda rápida na energia das partículas geralmente ocorre quando as partículas são emitidas.

Depois que o feixe é disparado, o nível de energia normalmente diminui para o estado mais baixo. O estado fundamental de um laser de três níveis é, portanto, chamado de nível inferior do laser, ou E1, que também é geralmente o estado do sistema após a emissão. A energia é freqüentemente direcionada para o nível E3 diretamente de E1, enquanto o nível superior do laser, chamado E2, geralmente ocorre logo antes da ativação do feixe.

O uso de apenas metade dos elétrons geralmente requer que mais energia seja adicionada ao laser de três níveis. Grande parte da energia transita para um estado mais baixo sem emitir luz ou outra radiação, que geralmente é permitida pelo transporte de energia por partículas chamadas fótons de treliça. Este tipo de laser, portanto, geralmente não é tão eficiente quanto algumas outras variedades.

Os estados de energia em cada nível duram frações de segundo, apesar dos ganhos e perdas substanciais que podem ocorrer. Outro fenômeno que ocorre com freqüência em um laser de três níveis é a inversão da população, na qual a quantidade de partículas em um estado de energia mais alto é maior que a dos estados mais baixos. A amplificação da luz é normalmente o resultado. Esses estados de energia, no entanto, são alcançados em apenas uma parte das partículas desse tipo de laser, portanto, às vezes, a eficiência energética precisa ser tratada.