поляризация обычного света, лазера и фотонов атомного перехода

В типичном лазере с внешним резонатором концы трубки закрыты окнами Брюстера, которые пропускают линейно поляризованный свет одной ориентации гораздо эффективнее, чем свет другой ориентации. Свет, проходящий через окна Брюсера, впоследствии отражается обратно (зеркалами резонатора) в трубу через то же окно. В результате свет, который легко проходит через окна Брюстера, может усиливаться при прохождении через возбужденный газ в трубке, поэтому испускаемый луч имеет соответствующую линейную поляризацию.

Если газовый лазер не имеет окон Брюстера, а вместо этого имеет только зеркала, припаянные непосредственно к концам трубки, нет ничего, что могло бы отдать предпочтение одной ориентации поляризации по сравнению с другой, поэтому свет всех поляризаций усиливается одинаково, а выходной пучок не поляризован. . Если бы внутри резонатора был включен круговой поляризатор, лазер излучал бы свет с круговой поляризацией.

Тепловое излучение, такое как излучение нити накаливания, обычно не поляризовано. Точно так же свет, излучаемый горячим газом без полей, не поляризован. Однако если присутствует магнитное или электрическое поле, поле определяет направление. Атомы или молекулы в горячем газе имеют тенденцию ориентироваться в направлении поля, а иногда и перпендикулярно направлению поля; и затем может излучать поляризованный свет.

Важно помнить, что квантовая механика гарантирует, что поляризация отдельного фотона обычно точно не определена. У него есть определенная вероятность иметь ту или иную поляризацию, но обе вероятности обычно конечны, если только что-то не заставляет поляризацию иметь определенное состояние. Свободный атом практически не ограничен по определению, поэтому излучает свет без определенного состояния поляризации. С другой стороны, если присутствует магнитное или электрическое поле, излучаемый свет, вероятно, будет поляризованным. В наборе неориентированных атомов не будет определенной поляризации излучаемого ими света.

Дело в том, что не каждый лазерный луч существенно поляризован.

Когда возникает поляризация, это происходит не из-за вынужденного излучения как такового, а из-за конкретной среды и/или конфигурации. Например, вы можете накачать кристалл, который действительно действует как поляризатор.

Более подробная информация находится на https://www.rp-photonics.com/polarization_of_laser_emission.html.

edit изначально думал ответить на вопрос «почему лазер поляризован?».

Я вижу, что вопрос был сильно отредактирован. Хотя ответ должен исправить Q1, для Q2 да. Посмотрите на поляризацию только для светового луча и, следовательно, как на коллективное свойство. (Для отдельного фотона квантовые эффекты не позволяют иметь четко определенную поляризацию, по крайней мере, в смысле генерации). Поляризация не может возникнуть из ансамбля, если последний не является упорядоченным и оптически активным.

1. Термически возбужденные атомы будут излучать фотоны с различной фазой и поляризацией. В результате когерентность таких источников близка к нулю.

Лазер имеет резонатор с двумя зеркалами, которые удерживают фотоны, испускаемые первоначально как спонтанное излучение. Когда электрон находится в возбужденном состоянии и приходит фотон, атом испускает два фотона с одинаковыми фазами и поляризацией - вынужденное излучение. Эти два фотона отражаются зеркалом и становятся четырьмя. Таким образом, луч состоит из фотонов, которые в основном находятся в фазе и имеют определенную поляризацию.

2. Поляризация связана с поведением векторов поля во временной области. Однако одиночные фотоны также могут иметь поляризацию. Наиболее естественными являются левая и правая круговые поляризации.$\pm \hbar$. Также широко распространено, что фотон может иметь линейную поляризацию или может быть суперпозицией левой и правой круговой.