Когда атом «лазит», он всегда отдает свою энергию в том же направлении и фазе, что и падающий свет. Почему это происходит? Как это можно объяснить? Как фотон, генерируемый вынужденным излучением, знает, в каком направлении двигаться? Какие факторы к этому приводят?
Слово «стимулированный» означает, что испускание фотона «поощряется» существованием фотонов в том же состоянии, в котором может быть добавлен новый фотон. «То же самое состояние» имеет ту же частоту, ту же поляризацию и то же направление движения. Такое однофотонное состояние может быть описано волновым вектором и вектором поляризации, например .
Физическая причина, по которой фотонам нравится излучаться в том же состоянии, что и другим фотонам, заключается в том, что они являются бозонами, подчиняющимися статистике Бозе-Эйнштейна. Амплитуда вероятности для нового, -й фотон должен быть добавлен в однофотонное состояние, которое уже фотонов в нем пропорциональна матричному элементу оператора повышения
Этот коэффициент можно разделить на плюс . Термин описывает вероятность спонтанного излучения, которое происходит, даже если в исходном состоянии не было других фотонов, в то время как член это стимулированное излучение, вероятность которого зависит от количества фотонов, которые уже присутствуют.
Но во всех случаях мы должны говорить об «точно одном и том же однофотонном состоянии», что также означает, что направление движения одинаково. Это потому, что квантовая теория поля связывает один квантовый гармонический осциллятор с каждым состоянием, т.е. с каждой информацией. о направлении движения и длине волны; в сочетании с бинарной информацией о , поляризация (например, левша против правши).
Я думаю, что это глубоко связано с тем фактом, что фотоны являются бозонами , следовательно, они следуют статистике Бозе-Эйнштейна , или, в данном случае, они образуют конденсат Бозе-Эйнштейна.
Если вы не знакомы с этой захватывающей концепцией, я предлагаю вам взглянуть на эту статью в Википедии или любой другой учебник по статистической механике, который у вас есть. В любом случае, два фотона, образующие конденсат Бозе-Эйнштейна, означают, что два фотона будут иметь одинаковую фазу (и, очевидно, длину волны) и все время будут занимать одну и ту же точку в пространстве.
Надеюсь, это было полезно.
Это отличный вопрос, и я считаю, что он заслуживает очень глубокого размышления!
Позвольте мне кратко рассмотреть мое понимание лазера. Для лазера обычно есть два канала, по которым атомы могут распадаться, испуская фотоны: в свободное пространство или в полость. Чисто из-за самопроизвольного распада атом с большей вероятностью будет излучать фотоны в свободное пространство. Однако, поскольку резонатор хранит свои фотоны, прежде чем выпустить их в виде пучка, фотоны начинают накапливаться в резонаторе. Затем эти избыточные фотоны могут стимулировать излучение в полость, и атомы начинают излучать все больше и больше своих фотонов в полость, а не в свободное пространство. Когда этот процесс протекает с большим количеством фотонов, то выходной свет из резонатора является лазерным светом.
Наконец, понимание того, почему фотоны идентичны, означает понимание того, что делает полость. Эффект полости заключается в резком изменении допустимых состояний электромагнитной среды, в частности, ограничении возможных свойств фотонов, которые она хранит. В частности, оказывается, что одномодовые резонаторы, используемые во многих лазерах, могут хранить фотоны только с одинаковыми свойствами, а поскольку фотоны являются бозонами, в моде резонатора может быть много одинаковых частиц света (фотонов).
С другой стороны, если возбужденный атом находился в свободном пространстве и взаимодействовал с фотоном, то испускание фотона, как правило, не дает двух фотонов с одинаковыми свойствами. На самом деле это активная область исследований, то есть вычисление того, как выглядит состояние после стимуляции.
себ
Никс