Почему фотон испускается в том же направлении, что и входящее излучение в лазере?

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?

Это сильная вещь, чтобы сказать без какой-либо ссылки или любого дополнительного контекста. Не могли бы вы пояснить эту часть вашего вопроса: когда атом «излучает», он всегда отдает свою энергию в том же направлении и фазе, что и падающий свет ?
во время лазерного действия... то есть когда происходит вынужденное излучение и высвобождается фотон... почему он движется в той же фазе и направлении.

Ответы (3)

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 | к , λ .

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, ( Н 1 ) -й фотон должен быть добавлен в однофотонное состояние, которое уже Н фотонов в нем пропорциональна матричному элементу оператора повышения

Н + 1 | а | Н "=" Н + 1
гармонического осциллятора между Н раз и ( Н + 1 ) раз возбужденные уровни. Поскольку амплитуда вероятности масштабируется как Н + 1 , вероятность того, что фотон будет испущен в состояние, равна квадрату амплитуды, т.е. Н + 1 . Напомним, что Н это количество фотонов, которые уже были в этом состоянии.

Этот коэффициент Н + 1 можно разделить на 1 плюс Н . Термин 1 описывает вероятность спонтанного излучения, которое происходит, даже если в исходном состоянии не было других фотонов, в то время как член Н 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. к о направлении движения и длине волны; в сочетании с бинарной информацией о λ , поляризация (например, левша против правши).

«Слово «стимулированный» означает, что излучение фотона «поощряется» существованием фотонов в том же состоянии, в котором может быть добавлен новый фотон». Слово «стимулированное» означает, что вы заставляете это происходить, стимулируя его. Поэтому, когда вы говорите, что излучение «поощряется» существованием фотонов, я с вами согласен. Почему вы говорите, что новый фотон будет добавлен в том же состоянии? Просто потому, что они бозоны и поэтому имеют тенденцию находиться в одном и том же состоянии?
@ Любош, если я понимаю твою точку зрения, причина, по которой два фотона коллинеарны, - это статистика. Вам нужно много фотонов, чтобы иметь большую вероятность того же состояния. Однако фотоны должны испускаться в одном и том же направлении, даже если есть только 1 атом и 1 фотон. Как работает статистика Бозе только для 1 фотона?

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.

спасибо ... так как я сделал вводную статистику BE, я могу понять ваш ответ.
Итак, позвольте мне посмотреть, правильно ли я понял... вы говорите, что когда фотон выходит после стимулированного излучения, он «каким-то образом» знает, что входящий фотон находится в определенном динамическом состоянии, и поэтому он выбирает это динамическое состояние? Я не спрашиваю о статистике, вероятности или чем-то еще — просто почему бозоны (в данном случае фотоны) ведут себя так?
Частицы обычно знают то, чего вы не ожидаете! Хотя это и не ответ на ваш вопрос, но этот блестящий сериал от Фейнмана может пролить на него свет: QED
ну да... я знаю это "частицы, знающие вещи". Искал, возможно, что-то, что я мог бы... ну... переварить!

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.