¿Por qué un rayo láser sigue siendo coherente cuando atraviesa un cristal?

Question

Si tengo un rayo láser coherente y lo hago pasar por un cristal, la luz se ralentizará porque interactuará débilmente con los átomos del cristal. Sin embargo, el rayo que salga por el otro lado del cristal seguirá siendo coherente. ¿Por qué es así? Porque el vidrio no es un sólido, los átomos se mueven con bastante libertad, así que cuando los fotones interactúan con estos átomos, es de esperar que los fotones se dispersen en muchas direcciones. ¿Qué ocurre en realidad?

Answer 1

La luz interactúa principalmente con los electrones de la banda de valencia (o la banda de conducción en los metales). El campo eléctrico oscilante de la luz hace que los electrones oscilen, y los electrones oscilantes irradian luz que interfiere con la luz entrante y provoca el cambio en la velocidad de propagación que describimos con el índice de refracción.

Se trata de un proceso coherente porque en la escala de la longitud de onda de la luz los electrones individuales son indistinguibles. La luz ve la densidad de electrones como algo continuo y suave, por lo que no se dispersa. Usted pregunta específicamente (en los comentarios a su pregunta) sobre el vidrio amorfo, pero no hay mucha diferencia si el material es un sólido cristalino como el cuarzo o un sólido amorfo como el vidrio normal de las ventanas. Las estructuras de banda del cuarzo y del dióxido de silicio amorfo son muy similares .

Incluso los líquidos tienen una estructura de bandas, aunque ésta tiende a estar bastante menos definida que en los sólidos, por lo que el argumento anterior se aplica también a los líquidos. Por eso, los líquidos como el agua refractan la luz de forma coherente.

Dicho esto, los materiales como el vidrio sólo son aproximadamente continuos y, aunque la longitud de onda de la luz es unas mil veces mayor que las escalas atómicas, existe cierta dispersión de Rayleigh. Esta tiende a ser más fuerte en los líquidos, y de hecho la dispersión de Rayleigh en el agua es fácilmente medible. Es menos fuerte en los sólidos amorfos y menos fuerte de nuevo en los sólidos crustalinos. Sin embargo, incluso en los líquidos la dispersión de Rayleigh es pequeña en comparación con la refracción normal.

Answer 2

Echa un vistazo aquí y los enlaces dados entender que la luz clásica, y los fotones son dos conceptos distintos, pero la luz clásica surge de la superposición de zillones de fotones.

Cuando un haz clásico atraviesa un medio transparente, los fotones se ven afectados por la red total, es decir, por el ordenamiento de los átomos y las moléculas en el cristal. La "ralentización" sólo significa que recorren un camino más largo, sólo se dispersan elásticamente si no hay cambio de frecuencia. La coherencia a nivel de los fotones significa que en un medio transparente se conservan las fases entre las funciones de onda individuales de los fotones. Esto es lo que hace que el medio sea transparente, por la construcción, de lo contrario sería opaco. Esto significa que las distancias de la red son tales que las fases no se destruyen. El rayo láser, al ser una superposición de estos fotones, también conserva las fases.

Esto funcionaría para fluidos transparentes como el agua: En un $Δt$ las fuerzas son tales que se puede modelar una red instantánea, sólo tiene una dependencia temporal que es despreciable para la velocidad de la luz. ( Vidrio no es realmente un fluido)

Además, si los fotones no pueden interactuar con un medio a determinadas frecuencias, entonces el medio será transparente, lo cual es la explicación aquí se da por la transparencia de algunos vasos.