Posted By: LubosMotl (Lumo in love another year) on 'CZscience'
Title:     Laser a koherence zareni
Date:      Thu Feb 22 08:49:05 1996

Rad bych rekl par slov o tom, co povazuji za fundamentalni na funkci laseru. 
Kdyz nekdo prinese LASER, predlozi ho a zepta se, proc vydava koherentni 
zareni, podstata odpovedi bude asi:

 v laseru dochazi ke stimulovane emisi zareni, ktereho vysledkem je typicky 
koherentni zareni. Proc a co to je?

 Stimulovana emise
 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
 Nejdrive o (STIMULOVANE) ABSORBCI. Svetlo o urcite vlnove delce muze byt 
absorbovano (pohlceno) latkou; soucasne s absorbci kvanta vlneni musi dojit k 
excitaci napr. atomu. Pravdepodobnost, ze se atom excituje, je umerna 
mnozstvi fotonu v danem stavu (tj. intenzite zareni).

 Pravdepodobnost je ovsem kvadratem nejake amplitudy urciteho hermitovskeho 
operatoru. Matice herm. operatoru (herm.matice) musi splnovat

  M_{ij}=M_{ji}*  (komplexni sdruzeni * lze zde vynechat, rec jde
                   o realnych maticich)

cili napriklad pravdepodobnost prechodu ze stavu s N+1 fotony do stavu s N 
fotony (ktera je umerna poctu fotonu pred absorbci N+1) se musi rovnat 
pravdepodobnosti prechodu ze stavu s N fotony do stavu s N+1 fotony.

 Jinymi slovy, symetricnost matice M, odpovidajici za absorbci a emisi, ma za 
nasledek shodu amplitud (a tedy i pravdepodobnosti) prechodu 

  N+1 fotonu -> N fotonu (absorbce 1 fotonu) a
  N fotonu   -> N+1 fotonu (emise 1 fotonu), je tedy umerna N+1.

 Proto (diky te jednicce v N+1) muze dojit k emisi i v pripade, ze kolem 
emitujiciho atomu zadne vlneni neni - tzv. SPONTANNI EMISE (zadna analogie 
"spontanni absorbce" neexistuje, protoze prechod do vyssiho stavu bez 
pohleceni fotonu - ktery tam neni - by narusil zachovani energie). 
Pravdepodobnost je ovsem mnohem vyssi, kdyz je tam vice fotonu (clen N v N+1 
zastupuje STIMULOVANOU EMISI). Fotony jako vsechny bosony maji velmi radi byt 
vsechny v jednom stavu - proto vznika koherentni zareni. 

> ...ale spociva v poukazu na to proc vznika pri stimulovane 
> excitaci elektronu koherentni zareni ...

 Myslim, ze jsi, ctenari, uz ziskal aspon zasadni predstavu o tom, ze 
koherentni zareni nevznika diky nejake excitaci elektronu (na zpusobu, jak 
elektron dostaneme nahoru, nezalezi, existuji ruzne lasery z tohoto 
hlediska), nybrz naopak diky STIMULOVANE EMISI (ktere dusledkem je prechod do 
NIZSIHO STAVU, tj. DEEXCITACE), a ze nema smysl pojem "stimulovana excitace", 
protoze kazda excitace je v tomto ohledu stejna. 

 Na zkonstruovani celeho laseru je jeste treba dostat hodne atomu do vyssiho 
stavu, aby je bylo mozno spolecne deexcitovat. To se dela napr. pomoci 
metastabilnich hladin:

3--------------  A               | spadnou 
2--------------  | vybudi se     V samy dolu   | tento prechod je
                 |  nahoru                     | nepravdepodobny
1--------------  |                             V
 
 Hladiny 1,2,3 musi byt voleny tak, aby prechod 2 -> 1 byl nepravdepodobny. 
Atomy se prevedou (teplem, svetlem...) ze stavu 1 do 3, odkud spadnou samy do 
2 a tam se drzi celkem dlouhou dobu - a cekaji na stimulovanou emisi. Ta 
prijde a oni PRECHAZEJI z hladiny 2 na hladinu 1, svetlo teto frekvence se 
vyzaruje. 

 Soucasti laseru je rezonancni komora, kde se fotony hromadi... a obvykle 
malym otvorem pousteji ven.

 
     /////   Superstring theory is the language in which God wrote the world.
   /// O __             Your Lumo  ;-)  motl@menza.mff.cuni.cz
  ///       
 ///_______/             http://www.ms.mff.cuni.cz/~lmot2220/
   Mozna az jednoho velekrasneho dne - 32.unora 1996 - stane se vule bozi...