Warum erzeugt ein Laser kohärente Strahlung?

Beachten Sie zunächst, dass es für einen Laser zwei relevante Formen der Kohärenz gibt: zeitliche (wobei die Phase des Felds mit der Zeit konstant ist, dh das Feld ist eine einzelne Frequenz) und räumlich (die Phase des Felds ist über die gesamte Kohärenz hinweg konsistent). Breite des Balkens).

Angenommen, Sie denken an zeitliche Kohärenz, versuchen Sie vielleicht, klassisch darüber nachzudenken und mit einer verwandten Frage zu beginnen:

Warum ist das Licht, das ein durchsichtiges Stück Glas verlässt, kohärent (gleiche Frequenz, Phase und Richtung) mit dem eintretenden Licht?

Eine Möglichkeit, sich dem zu nähern, besteht darin, sich das Lichtfeld als zeitlich veränderliche Störung der Atome vorzustellen, mit denen es interagiert. Klassischerweise beschleunigt das E-Feld die Elektronen sinusförmig und wird in ihre Bewegung aufgenommen. Wenn diese beschleunigenden Ladungen die Strahlung erneut emittieren, hat sie dieselbe Phase, Frequenz und Polarisation wie das anregende Feld, weil sich die Ladungen einfach so bewegen - sie wurden vom Feld so getrieben. Somit tritt das Licht in der gleichen Farbe und Phase aus, in der es eingetreten ist, und niemand ist überrascht.

Stimulierte Emission ist eine ähnliche Situation. Obwohl (offensichtlich) in gewisser Weise komplexer, kann man dem Elektronen-Hamilton-Operator wieder ein sinusförmig variierendes Feld hinzufügen. In einem Besetzungs-invertierten Verstärkungsmedium bewirkt dies, dass sich die Elektronen in einen niedrigeren Energiezustand entwickeln und Licht emittieren. Welche Farbe und Phase wird das Licht haben? Nun, das gleiche wie das Anregungslicht, denn so bewegen sich die Elektronen zufällig. Es gibt einfach keine andere Phase und Frequenz für sie, weil es keinen Vermittler zwischen ihnen und dem Antriebsfeld gibt; Sie werden direkt angetrieben.

All dies bedeutet, dass jeder Prozess, bei dem die Emission direkt von einem externen Feld angetrieben wird, die Phaseninformationen bewahrt. Dies sind die kohärenten Prozesse, einschließlich beispielsweise der nichtlinearen Erzeugung der zweiten Harmonischen oder der Differenzfrequenz. Diese stehen im Gegensatz zu inkohärenten Prozessen wie Photolumineszenz, die im Grunde Formen spontaner Emission sind. Übrigens ist die Erhaltung der Frequenzinformation des anregenden Feldes auch eine Frage der Energieerhaltung, da die Photonenenergie gleich Frequenz mal Plancksches Wirkungsquantum ist.

Dies beschreibt also nur die stimulierte Emission. In einem Laser haben Sie eine Rückkopplung, deren Dynamik eine weitere Komplexitätsebene hinzufügt und zur Bildung eines einzigen dominanten Zustands führt, der in der Kavität existiert. Ein Thema für einen anderen Tag, nehme ich an.

Es gibt drei Eigenschaften für Laser:

1. Der Laser sendet Photonen nahezu derselben Wellenlänge aus. Das hat mit dem verwendeten Verstärkungsmedium und seiner Reinheit zu tun.
2. Die elektrische Feldkomponente des Photons hat Knoten an den Spiegeln des Laserresonators . Dies werden Längsmoden genannt. Nur diese Photonen werden von den Spiegeln mit annähernd gleicher Frequenz reflektiert, die anderen verblassen zu Wärme.
3. Die Spiegel des Hohlraums könnten unterschiedliche Formen haben. Von der Form hängen die transversalen Moden des Lasers ab. Dies und die Verwendung von halbreflektierenden Spiegeln könnte den Laserstrahl polarisieren.

(Die Links führen zur deutschen Wikipedia. Das tut mir leid, aber im englischen Wiki sind diese Informationen nicht verfügbar.)