¿Por qué el fotón se emite en la misma dirección que la radiación entrante en el láser?

Question

Cuando un átomo se "lava" siempre cede su energía en la misma dirección y fase que la luz entrante. ¿Por qué ocurre esto? ¿Cómo se puede explicar? ¿Cómo sabe el fotón generado por la emisión estimulada qué dirección debe tomar? ¿Cuáles son los factores que conducen a ello?

Answer 1

La palabra "estimulada" significa que la emisión del fotón es "estimulada" por la existencia de fotones en el mismo estado que el estado en el que se puede añadir el nuevo fotón. El "mismo estado" es aquel que tiene la misma frecuencia, la misma polarización y la misma dirección de movimiento. Dicho estado de un fotón puede ser descrito por el vector de onda y el vector de polarización, por ejemplo $|\vec k,\lambda\rangle$ .

La razón física por la que a los fotones les gusta ser emitidos en el mismo estado que otros fotones es que son bosones que obedecen la estadística de Bose-Einstein. La amplitud de probabilidad para un nuevo, $(N-1)$ -el primer fotón que se añade a un estado de un solo fotón que ya tiene $N$ fotones en ella es proporcional al elemento de la matriz del operador de elevación $$ \langle N+1| a^\dagger|N\rangle = \sqrt{N+1}$$ del oscilador armónico entre el $N$ tiempos y $(N+1)$ niveles de excitación. Debido a que la amplitud de la probabilidad escala como $\sqrt{N+1}$ la probabilidad de que el fotón sea emitido en el estado va como la amplitud al cuadrado, es decir, como $N+1$ . Recordemos que $N$ es el número de fotones que ya estaban en ese estado.

Este coeficiente $N+1$ puede dividirse en $1$ más $N$ . El término $1$ describe la probabilidad de una emisión espontánea -que se produce incluso si no hay otros fotones presentes en el estado para empezar- mientras que el término $N$ es la emisión estimulada cuyas probabilidades escalan con el número de fotones que ya están presentes.

Pero en todos los casos hay que hablar de "exactamente el mismo estado de un fotón", lo que significa también que la dirección del movimiento es la misma. Es porque la teoría cuántica de campos asocia un oscilador armónico cuántico con cada estado, es decir, con cada información $\vec k$ sobre la dirección del movimiento y la longitud de onda; combinado con una información binaria sobre $\lambda$ La polarización (por ejemplo, izquierda o derecha).

Answer 2

Creo que está profundamente relacionado con el hecho de que los fotones son bosones por lo que siguen la Estadística de Bose-Einstein o en este caso hacen un Condensado de Bose-Einstein.

Si no conoces este apasionante concepto, te sugiero que eches un vistazo a este Artículo de Wikipedia o cualquier otro libro de mecánica estadística que tengas por ahí. De todos modos, que dos fotones formen un Condensado de Bose-Einstein significa que los dos fotones tendrán la misma fase (y obviamente longitud de onda) y ocuparán el mismo punto en el espacio todo el tiempo.

Espero que esto haya sido útil.

Answer 3

Esta es una gran pregunta, y creo que merece una reflexión muy profunda.

Permítanme repasar brevemente lo que entiendo por láser. En un láser, normalmente hay dos canales en los que los átomos pueden decaer emitiendo fotones: hacia el espacio libre o hacia una cavidad. Por desintegración espontánea, es más probable que el átomo emita fotones hacia el espacio libre. Sin embargo, como la cavidad almacena sus fotones antes de liberarlos en un haz, los fotones comienzan a acumularse en la cavidad. Entonces, este exceso de fotones puede estimular la emisión en la cavidad y los átomos comienzan a emitir más y más de sus fotones hacia la cavidad en lugar de hacia el espacio libre. Cuando este proceso se agota con un gran número de fotones, la luz de salida de la cavidad es luz láser.

Por último, entender por qué los fotones son idénticos significa comprender lo que hace una cavidad. El efecto de la cavidad es modificar drásticamente los estados permitidos del entorno electromagnético, limitando específicamente las posibles propiedades de los fotones que almacena. En particular, resulta que las cavidades monomodo utilizadas en muchos láseres sólo pueden almacenar fotones que tengan propiedades idénticas, y como los fotones son bosones es posible tener muchas partículas de luz (fotones) idénticas en el modo de la cavidad.

Por otra parte, si un átomo excitado estuviera en el espacio libre e interactuara con un fotón, la emisión de éste no suele producir dos fotones con propiedades idénticas. En realidad, este es un área de investigación activa, es decir, calcular cómo es el estado después de la estimulación.