No es una pregunta tan simple. Los láseres son complicados.
Si un átomo absorbe algo de energía (quizás un fotón), un electrón puede ser promovido de un estado de baja energía a uno de alta energía. Si el átomo permanece sin ser perturbado por un tiempo, puede decaer espontáneamente. El electrón vuelve al estado de baja energía y se emite un fotón de longitud de onda $hc/\lambda$.
Otra posibilidad es que un fotón de longitud de onda $\lambda$ pase por el átomo excitado y estimule la emisión de otro fotón. El electrón cae al estado de baja energía. El fotón emitido tiene una longitud de onda de $\lambda$, está en fase con el primero y viaja en la misma dirección. Esto es emisión estimulada.
Absorción en estado excitado también puede ocurrir. En la mayoría de los láseres, los fotones no son tan energéticos como para que una segunda absorción ionice el átomo. Eso significa que debe estar presente un tercer estado con la energía correcta. En muchos láseres, no hay tal estado. Cuando está presente, hay técnicas para reducir el efecto. Por otro lado, algunos láseres aprovechan esto para duplicar la frecuencia de la luz láser.
Hay otro tema relacionado con tu pregunta.
Los láseres funcionan mediante la emisión estimulada en una cavidad óptica. Supongamos que tienes una población de átomos excitados entre dos espejos. Algunos de ellos decaen espontáneamente. Algunos de los fotones llegan a estar en la dirección correcta para ser reflejados de un lado a otro, pasando por los átomos una y otra vez. Estos fotones pueden estimular la emisión de más fotones. El número de fotones aumenta, creando un rayo láser coherente que produce coherencia.
Esto pasa por alto muchas complicaciones. Para el crecimiento:
- La cavidad debe ser diseñada cuidadosamente. La luz debe repetir su trayectoria e interferir constructivamente después de un viaje de ida y vuelta. La difracción hace que el haz se esparza. Los espejos deben enfocar ligeramente el haz para contrarrestar esto. De lo contrario, más fotones se filtrarán por los lados de los que se crean por la emisión estimulada. Ver modos láser y haces gaussianos.
- Uno de los espejos debe ser quizás 99% reflectante y 1% transmisivo para que el haz pueda salir de la cavidad. No demasiado transmisivo, o más fotones escaparán de los que se crean.
- Los átomos decaen. Los átomos en el estado de baja energía absorben fotones en lugar de emitir uno segundo. Para el crecimiento, un fotón debe encontrar más átomos excitados que átomos de baja energía.
Este último punto es importante. En equilibrio térmico habrán algunos átomos excitados, pero más átomos de baja energía. Puedes aumentar la temperatura para obtener más átomos excitados, pero nunca tantos como los de baja energía. Tener más átomos excitados se llama una inversión de población. Se necesitan algunos trucos para lograr una.
Incluso si comienzas con una inversión de población, debes seguir agregando energía para mantenerla. Lo primero que puedes pensar es hacer una lámpara de descarga de gas, como una luz de neón ordinaria. Agregas mucha energía y produces muchos átomos excitados. Puedes ver muchos fotones siendo emitidos de la longitud de onda correcta. Pero esto no funciona. A pesar de que no está en equilibrio, está en un estado estable. La población de energía baja es siempre mayor para cualquier sistema con 2 niveles de energía.
Los láseres más simples tienen 3 niveles de energía con $E_1 < E_2 < E_3$. Las vidas medias de los estados excitados son diferentes. $E_3$ decae muy rápido a $E_2$. $E_2$ dura mucho más. El estado $2$ termina con todos los electrones que podrías haber esperado estuvieran en el estado $2$ o $3$. Esto puede superar al Estado $1$. Por lo que la fuente de energía bombea electrones al estado $3$, pero la transición láser es $E_2 \rightarrow E_1$.
Esto funciona, pero los láseres con 4 niveles son más eficientes.
