A luz de um laser resulta de transições de níveis de energia (estados metaestáveis com vida longa). Por que a luz emitida pelo laser é muito mais monocromática do que a luz ordinária emitida por outras fontes, como lâmpadas de vapores gasosos?

Passo 1

O enunciado pergunta por que a luz de um laser, que surge de transições entre níveis metaestáveis (com vida longa), é muito mais monocromática (ou seja, tem largura de linha muito pequena) do que a luz de fontes ordinárias, como lâmpadas de vapor de gás. Vamos ver as diferenças de processo de emissão e de estrutura de emissão que levam a isso.

Passo 2

Em fontes ordinárias (por exemplo, lâmpadas de vapor de sódio ou mercúrio) a emissão é espontânea. Cada átomo emite um fóton de forma independente e com frequência que sofre diversos alargamentos, dos quais os principais são:
  1. Alargamento Doppler: átomos em movimento relativo ao observador produzem deslocamento de frequência.
  2. Alargamento por impacto (pressure broadening): colisões entre átomos ou moléculas perturbam temporariamente os níveis de energia, alargando a linha.
  3. Alargamento natural: finita vida do estado excitado implica uma largura mínima de linha dada pelo princípio da incerteza de energia–tempo, \Delta E\,\Delta t\sim \hbar.
    O resultado é uma banda espectral relativamente larga, com muitas frequências sendo emitidas simultaneamente.

Passo 3

Num laser, contudo, exige-se inversão de população entre dois níveis, um deles metaestável (vida longa). A emissão é então estimulada, isto é, um fóton de certa frequência destrava a emissão de outro fóton idêntico (mesma fase, polarização e frequência). Isso gera dois fótons “clonados” e amplifica aquela frequência específica.

Passo 4

Além disso, um laser contém uma cavidade ressonante (dois espelhos) que só reforça modos com comprimentos de onda que satisfaçam a condição de ressonância longitudinal
m\,\frac{\lambda}{2}=L_{\rm cavidade},
onde m é um número inteiro e L_{\rm cavidade} o comprimento do módulo ativo. Esse feedback seletivo:
  • Amplifica exponencialmente apenas as frequências muito próximas de uma das ressonâncias.
  • Inibe as demais frequências, pois fora da ressonância o ganho é insuficiente para sustentar a oscilação.

Resposta

A luz de um laser é muito mais monocromática porque nela predomina a emissão estimulada entre dois níveis bem definidos (reduzindo o alargamento natural) e porque a cavidade ressonante só amplifica um conjunto restrito de frequências, resultando em uma largura de linha muito estreita em comparação com a emissão espontânea de fontes comuns.

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