Wenn ein Atom „lasert“, gibt es seine Energie immer in der gleichen Richtung und Phase wie das einfallende Licht ab. Warum passiert das? Wie lässt sich das erklären? Wie weiß das durch stimulierte Emission erzeugte Photon, welche Richtung es einschlagen soll? Welche Faktoren führen dazu?
Das Wort "stimuliert" bedeutet, dass die Emission des Photons durch das Vorhandensein von Photonen in demselben Zustand wie dem Zustand, in dem das neue Photon hinzugefügt werden kann, "ermutigt" wird. Der "gleiche Zustand" ist einer, der die gleiche Frequenz, die gleiche Polarisation und die gleiche Bewegungsrichtung hat. Ein solcher Ein-Photonen-Zustand kann durch den Wellenvektor und den Polarisationsvektor beschrieben werden, z .
Der physikalische Grund, warum Photonen gerne im selben Zustand wie andere Photonen emittiert werden, ist, dass sie Bosonen sind, die der Bose-Einstein-Statistik gehorchen. Die Wahrscheinlichkeitsamplitude für ein neues, -st Photon zu einem Ein-Photonen-Zustand hinzugefügt werden, der bereits vorhanden ist Photonen darin ist proportional zum Matrixelement des Erhöhungsoperators
Dieser Koeffizient geteilt werden kann Plus . Der Begriff beschreibt die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Emission – die auch auftritt, wenn im Ausgangszustand keine anderen Photonen vorhanden waren – während der Begriff ist die stimulierte Emission, deren Wahrscheinlichkeit mit der Anzahl der bereits vorhandenen Photonen skaliert.
Aber in allen Fällen müssen wir von „exakt demselben Ein-Photonen-Zustand“ sprechen, was auch bedeutet, dass die Bewegungsrichtung dieselbe ist. Das liegt daran, dass die Quantenfeldtheorie jedem Zustand, dh jeder Information, einen harmonischen Quantenoszillator zuordnet über die Bewegungsrichtung und Wellenlänge; kombiniert mit einer binären Information über , die Polarisierung (z. B. Linkshänder vs. Rechtshänder).
Ich denke, es hängt eng mit der Tatsache zusammen, dass Photonen Bosonen sind , sie folgen also der Bose-Einstein-Statistik , oder in diesem Fall bilden sie ein Bose-Einstein-Kondensat.
Wenn Sie mit diesem aufregenden Konzept nicht vertraut sind, schlage ich vor, dass Sie sich diesen Wikipedia-Artikel oder ein anderes Lehrbuch der statistischen Mechanik ansehen, das Sie in der Nähe haben. Wie auch immer, die zwei Photonen, die ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugen, bedeuten, dass die beiden Photonen dieselbe Phase (und offensichtlich Wellenlänge) haben und die ganze Zeit denselben Punkt im Raum einnehmen.
Hoffe, das war hilfreich.
Dies ist eine großartige Frage, und ich glaube, sie verdient sehr gründliches Nachdenken!
Lassen Sie mich kurz mein Verständnis eines Lasers wiederholen. Bei einem Laser gibt es typischerweise zwei Kanäle, in die die Atome zerfallen können, indem sie Photonen emittieren: hinaus in den freien Raum oder in einen Hohlraum. Rein durch spontanen Zerfall emittiert das Atom eher Photonen in den freien Raum. Da der Hohlraum jedoch seine Photonen speichert, bevor er sie in einem Strahl freisetzt, beginnen sich Photonen im Hohlraum aufzubauen. Dann können diese überschüssigen Photonen die Emission in den Hohlraum stimulieren und die Atome beginnen, mehr und mehr ihrer Photonen in den Hohlraum statt in den freien Raum zu emittieren. Wenn dieser Prozess mit einer großen Anzahl von Photonen davonläuft, dann ist das Ausgangslicht aus dem Resonator Laserlicht.
Schließlich bedeutet zu verstehen, warum die Photonen identisch sind, zu verstehen, was ein Hohlraum tut. Die Wirkung des Hohlraums besteht darin, die zulässigen Zustände der elektromagnetischen Umgebung dramatisch zu modifizieren und insbesondere die möglichen Eigenschaften der darin gespeicherten Photonen einzuschränken. Insbesondere stellt sich heraus, dass die in vielen Lasern verwendeten Single-Mode-Resonatoren nur Photonen mit identischen Eigenschaften speichern können, und weil Photonen Bosonen sind, können viele identische Lichtteilchen (Photonen) im Hohlraummodus vorhanden sein.
Wenn andererseits ein angeregtes Atom im freien Raum säße und mit einem Photon in Wechselwirkung tritt, dann erzeugt die Photonenemission im Allgemeinen nicht zwei Photonen mit identischen Eigenschaften. Dies ist eigentlich ein aktives Forschungsgebiet, nämlich die Berechnung, wie der Zustand nach der Stimulation aussieht.
seb
Nix