Nella fisica dei laser, il guadagno o amplificazione è un processo in cui il mezzo trasferisce parte della sua energia alla radiazione elettromagnetica emessa, portando a un incremento della potenza ottica. Questo è il principio di funzionamento di tutti i laser. Quantitativamente, il guadagno è una misura della capacità di un mezzo laser di aumentare la potenza ottica.
Definizione Da un punto di vista analitico, il guadagno è spesso chiamato coefficiente di guadagno ed è l'inverso del coefficiente di assorbimento . Entrambi sono funzioni della frequenza angolare della radiazione elettromagnetica (cioè, la frequenza del fotone); hanno la dimensione di una lunghezza reciproca e si misurano solitamente in cm−1.
Derivazione dalla suscettività ottica Si può dimostrare che un campo elettrico armonico monocromatico , propagandosi in un mezzo, subisce dispersione e attenuazione. In particolare, l'attenuazione è di tipo esponenziale:
dove è il numero d'onda, è la parte immaginaria della suscettività ottica, l'indice di rifrazione del mezzo. Indichiamo il fattore a esponente come
così da riscrivere
dove è proprio il coefficiente di assorbimento.
Guadagno in un sistema a due livelli In un semplice sistema quantico a due livelli, si può esprimere il guadagno in termini delle popolazioni e rispettivamente del livello a minore energia e di quello a maggiore energia (livello eccitato).
dove e sono le sezioni effettive di emissione e assorbimento. Nel caso di un mezzo non pompato, il guadagno è negativo.
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