Wie groß ist die Amplitude des elektrischen Feldes in einem Laser?

Die elektrische Feldstärke ist durch den Poynting-Vektor mit der Leistung des Lasers verknüpft . Dies ist gegeben durch:

und die Größenordnung von$\mathbf{S}$ist die Macht. Angenommen, wir können Ihren Laser dann als ebene Welle behandeln (was vernünftig erscheint).$\mathbf{E}$Und$\mathbf{H}$stehen im rechten Winkel, also ist die Potenz einfach:

Und$H = E/\eta$also landen wir bei:

In diesem Ausdruck$P$ist die Spitzenleistung, aber was wir wirklich wollen, ist die Durchschnittsleistung, denn das ist, was Ihre Laserspezifikation geben wird. Zufällig führt dies nur einen Faktor von der Hälfte ein:

Erinnere dich daran$P_\text{av}$ist die Leistung pro Flächeneinheit, also müssen Sie die Leistung Ihres Lasers nehmen und durch die Strahlfläche teilen. Setze dann die obige Gleichung ein und löse nach auf$E$.

Wenn du Dinge sagst wie

Meine Frage bezieht sich nur auf den typischen Amplitudenwert in einem Experiment mit Lasern.

Sie geraten in Schwierigkeiten, weil "typische Experimente" Laserleistungen verwenden, die viele Größenordnungen abdecken.

Im Allgemeinen findet man das elektrische Feld aus der Intensität $I$des Lichts, die gleich der Menge an Leistung pro Flächeneinheit ist, die durch das Licht übertragen wird, unter Verwendung der Formel

Um die Intensität zu erhalten, benötigen Sie die Laserleistung und die Punktgröße, und hier stoßen Sie auf Probleme, da diese je nach dem, was Sie mit dem Experiment erreichen möchten, enorm variieren können. Jedoch:

• Die Punktgröße ist normalerweise kein großes Problem. Für einen normalen Laserpointer können Sie davon ausgehen, dass er in der Größenordnung von liegt$1\:\mathrm{mm^2}$, aber wenn Sie stark fokussieren, können Sie Brennpunkte erreichen, die nur etwas größer als die Wellenlänge sind, also für sichtbares Licht in der Größenordnung von$1\:\mathrm{\mu m}^2$.

• Am unteren Ende laufen viele Experimente im Einzelphotonen-pro-Schuss-Regime ab, mit vielleicht einem Schuss pro Mikrosekunde, was insgesamt eine sehr kleine Laserleistung ist.

• Bei einem normalen Laserpointer ist die Leistung auf etwa begrenzt$1\:\mathrm{mW}$. (Jeder höher als das und es wird gefährlich.)

• Am oberen Ende erzeugen die intensivsten derzeit verwendeten Laser elektrische Felder, die so stark sind, dass, wenn ein Elektron, angetrieben durch das elektrische Feld des Lasers, schwingt, (i) es das relativistische Regime erreicht und (ii) seine zyklusgemittelte Schwingungsenergie wird um ein Vielfaches größer als die Ruheenergie des Elektrons$m_ec^2$. Das bedeutet, dass die Bewegung des Elektrons spontan Elektron-Positron-Paare erzeugt, wobei das Positron später rekombiniert und Gammastrahlen aussendet. Das sind keine schönen Experimente, um herumzustehen.

  In Bezug auf die Intensität geschieht dies jedoch irgendwo entlang der$10^{19}\:\mathrm{W/cm^2}$Marke, aber der Rekord ist wahrscheinlich eher höher als$10^{22}\:\mathrm{W/cm^2}$heutzutage.

Das reicht aus, um die benötigten Mengen zu berechnen; Ich habe absichtlich einige Kästchen leer gelassen, damit Sie Ihre Muskeln spielen lassen können.

Eine einfache Regel: Elektrisches Feld (in V/m) = 2745*sqrt(Intensität), wobei die Intensität in W/cm² angegeben wird