Verständnis des Verhaltens von Licht/Photonen in einem Laser

Ich versuche, in meinem Kopf ein Modell dafür zu erstellen, wie sich Licht verhält, aber es fällt mir schwer mit all den scheinbar widersprüchlichen Informationen.

Beispielsweise werden Elektronen in einem Laser auf einen energetisch höheren Zustand angehoben und emittieren folglich Photonen einer bestimmten Wellenlänge, wenn sie in ihren Grundzustand zurückfallen.

Soll ich mir nicht vorstellen, dass ein Photon, das in einem solchen Prozess entsteht, in alle möglichen Richtungen reist, wobei die Wellenfunktion mir die Wahrscheinlichkeit gibt, dieses Photon in einem bestimmten Raumvolumen in einem bestimmten Zeitintervall zu finden?

In der obigen Beschreibung haben Photonen überhaupt keine spezifische Richtung. Also möchte ich fragen, ob wir ein einzelnes Photon in einem Vakuum erzeugen können, das sich dann in eine bestimmte Richtung bewegt?

Wenn nicht, ist die Richtung eines Photons dann nur eine "Illusion", die durch überlappende Wellenfunktionen erzeugt wird, die zu einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit führen, ein Photon in bestimmten Raumvolumina zu finden?

Wenn Photonen aus einem Laser austreten, kann ich sie als einzelne Photonen behandeln, mir also die Wellenfunktion für jedes Photon vorstellen, die sich in alle Richtungen im Raum erstreckt, dann alle Wellenfunktionen jedes Photons überlappen und die Wahrscheinlichkeiten berechnen, ein Photon in a zu finden bestimmtes Raumvolumen in einem bestimmten Zeitintervall oder muss ich noch mehr berücksichtigen? Weil ich nicht sehen kann, warum ein Laserstrahl über so lange Entfernungen so fokussiert bleiben würde, nur durch die Auslöschung von Wellen in alle anderen Richtungen als die Richtung, in die der Laser zeigt. Würde ein einzelnes Photon, das den Laser verlässt, mit größerer Wahrscheinlichkeit auf der geraden Linie, auf die der Laser zeigt, später gefunden werden als in jeder anderen Richtung? Wenn ja, warum?

Ich hoffe, dass mir jemand helfen kann, ein besseres Modell in meinem Kopf zu erstellen, wie Licht wirklich funktioniert.

Antworten (1)

In einem haben Sie Recht: Wenn ein Atom in einem isotropen Medium spontan ein Photon aussendet, kann es dies in alle Richtungen tun, und die Gesamtemission wird gleichmäßig über die Einheitskugel verteilt. Laser arbeiten jedoch mit stimulierter Emission, die etwas anders ist: Wenn ein Atom angeregt wird, können Sie es dazu bringen, seine Energie zu emittieren, indem Sie ein anfängliches Photon darauf richten. In diesem Fall emittiert das Atom sein Photon in die gleiche Richtung wie das Atom ursprünglichen und mit der gleichen Phase (so dass sie immer konstruktiv interferieren). Dies funktioniert so, dass einige Atome spontan emittieren und dann durch einen Schneeballeffekt die Photonen aller anderen Atome auf das erste Photon stapeln, sodass sie alle die gleiche Richtung und Phase haben.

Natürlich hindert nichts das erste Photon daran, sich in eine zufällige Richtung zu bewegen, also kommt hier der Laserhohlraum ins Spiel. Außer in sehr speziellen Fällen platzieren Sie das Verstärkungsmedium immer zwischen zwei verschiedenen Spiegeln, die einander gegenüberstehen. Dann konstruieren Sie die Situation so, dass, wenn ein Photon spontan emittiert wird, die Wahrscheinlichkeit, dass andere Atome darauf emittieren, für einen einzigen Durchgang des Verstärkungsmediums ziemlich gering ist. Wenn ein Photon in den Resonatormodus in Richtung eines der Spiegel emittiert wird, wird es viele Male herumspringen und es wird mehrere Gelegenheiten haben, weitere Emission zu stimulieren. Wenn es andererseits in einem unerwünschten Modus emittiert wird, verlässt es einfach den Hohlraum und regt nicht viel weitere Emission an, so dass es die angeregte Atompopulation nicht stark entleert.

Die Photonen verlassen den Laser dann über einen der Spiegel, der nicht perfekt reflektierend ist. Der Ausgangsstrahl ist im Wesentlichen derselbe wie der Resonatormodus, wenn er den Ausgangsspiegel erreicht, der ein kleiner Fleck ist, der ziemlich sorgfältig kollimiert wurde. Eine Möglichkeit, darüber nachzudenken, besteht darin, den Hohlraum zu „entfalten“ und ihn sich als eine Kette von Verstärkungsmedien in einer Linie vorzustellen, die durch Öffnungen in der Größe der Spiegel getrennt sind. Photonen, die vom ersten Verstärkungsmedium emittiert werden, müssen alle Öffnungen passieren , um durch die letzte zu gelangen, also wählen Sie nur einen kleinen Satz von Richtungen aus. Dieser Satz von Richtungen hat natürlich eine kleine Streuung, und jeder Laserstrahl wird etwas zeigenAusbreitung nach einer Weile, aber wenn Sie vorsichtig sind (wenn Sie Ihren Hohlraum so konstruieren, dass jedes einzelne Photon sehr lange im Hohlraum bleibt), kann diese Ausbreitung sehr gering sein.

Ihre letzte Frage ist sehr interessant:

Würde ein einzelnes Photon, das den Laser verlässt, mit größerer Wahrscheinlichkeit auf der geraden Linie, auf die der Laser zeigt, später gefunden werden als in jeder anderen Richtung? Wenn ja, warum?

Photonen haben eigentlich keine eigenen Wellenfunktionen. Grundsätzlich sind Photonen diskrete Anregungen des zugrunde liegenden klassischen Wellenmodus, und es ist dieser klassische Modus, der die räumliche Verteilung bestimmt. Für einen Laser ist die klassische Mode eine anfänglich kollimierte Mode, die sich dann aufgrund von Beugung ausbreitet. Alle Photonen befinden sich in diesem Modus! Wenn Sie also einen anderen Modus haben und versuchen, Photonen darin zu erkennen, erhalten Sie dort nichts (es sei denn, Ihr Testmodus hat eine erhebliche Überlappung mit dem Lasermodus).

"... Sie können es dazu bringen, seine Energie zu emittieren, indem Sie ein anfängliches Photon darauf richten. In diesem Fall emittiert das Atom sein Photon in die gleiche Richtung wie das ursprüngliche ..." Dieser spezielle Teil ist es, der mir den Kopf verdreht . Was würde dazu führen, dass ein "frisch erzeugtes" Photon überhaupt eine Richtung hat. Haben Photonen eine Richtung oder ist das, was wir als Richtung erfahren, nur ein Ergebnis von sich überlagernden Wellenfunktionen, also nicht wirklich eine Richtung, sondern eher eine höhere Wahrscheinlichkeitsverteilung entlang eines bestimmten Pfades? Und wenn dies der Fall ist, was verursacht dann diese Verteilung für dieses neu erzeugte Photon?
Ja, Photonen haben eine Richtung. Genauer gesagt sind Photonen eine Form der „Bevölkerung“ jeder klassischen Wellenmode, und diese haben eine Richtung, die durch ihren Wellenvektor vorgegeben ist. Wellen haben im Allgemeinen eine Richtung, und das sollte nicht überraschen.
Wenn Photonen eine Richtung haben, vorausgesetzt, wir haben ein einzelnes Photon im Raum erzeugt, das zufällig eine bestimmte Richtung erhalten hat. Würde sich dieses Photon auf einer geraden Linie entlang der gegebenen Richtung bewegen, auf unbestimmte Zeit bei c? Wozu brauche ich dann überhaupt eine Wellenfunktion? Könnte ich nicht genau sagen, wo es sich befindet, indem ich die Reisezeit berechne?
ODER lassen Sie es mich anders ausdrücken. Wenn wir einen Laser benutzten und es irgendwie schafften, nur ein einzelnes Photon in die Richtung entweichen zu lassen, in die es zeigt, dann schließen Sie den Ausgang. Würde sich dieses Photon unbegrenzt bei c in dieser Richtung durch ein Vakuum bewegen?
Sie kommen in einen der kontraintuitiveren Teile der Quantenmechanik. Das Unschärfeprinzip besagt, dass man nicht genau wissen kann, wo sich ein Photon befindet, auch wenn man es auf eine kleine Region beschränken könnte. Ebenso ist es möglich, die Dinge so anzuordnen, dass ein Photon einen engen Richtungsbereich hat. Aber man kann die genaue Richtung nicht kennen. Dies ist die Ursache der Beugung. Das bedeutet, dass Sie einen Laser weder perfekt kollimieren noch auf einen perfekten Punkt fokussieren können.
Wenn ein Laser hochfährt, werden Photonen spontan in viele zufällige Richtungen emittiert. Die meisten gehen seitwärts und gehen verloren. Wenn eines zufällig auf die Spiegel ausgerichtet ist, springt es hin und her und regt viele Atome an, identische Photonen zu emittieren, die sich auch in genau die richtige Richtung bewegen. Bald werden sehr wenige Photonen seitwärts emittiert, weil so viele Photonen in die richtige Richtung reisen, dass angeregte Atome nicht sehr lange leben. Sie werden normalerweise zur Emission eines Photons angeregt, bevor sie spontan zerfallen.
Auch für das Photon gibt es Wellenfunktionen. siehe motls.blogspot.com/2011/11/… .
Einerseits wird mir gesagt, dass Photonen zwischen den beiden Spiegeln eine genaue Richtung einhalten können, als ob sie Tischtennisbälle wären, während mir andererseits gesagt wird, dass Photonen (sowie andere Teilchen) alle Wege nehmen gleichzeitig und wir können nur Wahrscheinlichkeiten dafür angeben, wann sie in einem bestimmten Raumvolumen innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens zu finden sind. Und wenn sie sich dann durch eine Doppelspaltung bewegen, sind sie fast überall auf dem Bildschirm dahinter zu finden und können ihre Richtung ändern, als ob der Schwung keine Rolle spielen würde. Es fällt mir schwer, ein richtiges Modell in meinem Kopf zu komponieren.
Verständnis des Verhaltens von Licht/Photonen in einem Laser
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v