Befolkningsinversion

Befolkningsinversion, ofta kallad population inversion på engelska, är ett tillstånd inom kvantoptik och lasersystem där fler atomer eller molekyler befinner sig i en högre energinivå än i en lägre. Det är motsatsen till vad som råder i termodynamisk jämvikt och är en förutsättning för netto stim­ulerad emission, som ger optisk förstärkning i ett lasersystem.

Hur inversion uppnås varierar beroende på system. Den gemensamma mekanismen är “pumpning” av energi från en källa så att antalet partiklar hamnar i ett upphöjt tillstånd snabbare än de återgår till låga nivåer. Det kan ske genom optisk pumping (ljuspåverkan), elektrisk pumping eller kemisk pumping. En kritisk poäng är att i ett tvånivåsystem är en varaktig inversion fysiskt svår att uppnå i jämvikt; praktiska lasrar bygger därför ofta på tre-nivå- eller fyra-nivå-systemsstrukturer.

I tre-nivå-lasrar pumpas populationer till en översta nivå som via snabb avveckling leder till överskott i själva laser-nivån, medan den lägre nivån ofta är ömtåligt depopulerad. I fyra-nivå-lasrar avlägsnas den nedre laser-nivån effektivt från systemet, vilket gör inversion enklare att upprätthålla. Detta gör att uppnåendet av laserverkan sker vid rimliga pumpningsnivåer.

Exempel på medier som använts i befolknainginversionsapplikationer är ruby-laser, Nd:YAG, CO2-laser och olika halvledar-/diodebaserade lasrar. Population inversion är en kärnkomponent i hur lasers och maser fungerar och förklarar varför ljus kan förstärkas och bli koherent i en resonator.