¿Cuál es la amplitud del campo eléctrico en un láser?

Estoy buscando información confiable sobre la amplitud (no la intensidad ), en volt/metro, del campo eléctrico en un láser típico.

O en otras palabras: ¿cuáles son las amplitudes típicas de las ondas planas monocromáticas en una onda electromagnética intensa ?

EDITAR: Estoy interesado en los valores de amplitud más altos que podríamos encontrar en una onda electromagnética intensa . Tal vez no sean las "olas típicas", después de todo.

Sé que el valor teórico máximo de un campo eléctrico (de la mecánica cuántica) es de aproximadamente 10 18 voltímetro . Pero esto es para campos estáticos, no para ondas. ¿Qué pasa con las olas intensas?

Espero que la pregunta sea más clara ahora.

Aquí hay un enlace a una calculadora de intensidad de campo. Esto es para aplicaciones de radiofrecuencia, pero es completamente independiente de la frecuencia, por lo que es igual de válido para la luz: giangrandi.ch/electronics/anttool/tx-field.shtml
¿Qué pasa con el caso de un láser?
La onda electromagnética es una onda electromagnética. Siempre que estemos hablando de la propagación en el vacío, los valores son independientes de la frecuencia. Uno tendría que usar un factor de corrección para la luz no monocromática, pero supongo que por láser te refieres a ondas monocromáticas.
Cham, tocaste un punto sensible.
@Cham: Los gigavoltios/metro se logran regularmente con láseres ultrarrápidos de alta potencia utilizados para la investigación de plasma. Consulte Acelerador láser Wakefield .
@HolgerFiedler, ¿qué quieres decir con "tocaste un punto dolorido"? ¿Podría elaborar?
@Cham Es una debilidad de todas las teorías sobre la radiación EM que no hay una predicción sobre la amplitud de las ondas EM. Mientras el campo de una carga puntual se defina como infinito y mientras no se exploren los constituyentes del campo eléctrico, el campo magnético y los fotones, la dualidad onda-partícula no será desplazada por una teoría más profunda.
@HolgerFiedler, esto es interesante. ¿Podría elaborar más sobre esto?
Preste atención a mi perfil y consulte independent.academia.edu/HolgerFiedler

Respuestas (3)

La intensidad del campo eléctrico está relacionada con la potencia del láser por el vector de Poynting . Esto viene dado por:

S = mi × H

y la magnitud de S es el poder Suponiendo que podamos tratar su láser como una onda plana (lo que parece razonable), entonces mi y H están en ángulo recto por lo que la potencia es simplemente:

PAG = mi H

y H = mi / η así que terminamos con:

PAG = mi 2 η

En esta expresión PAG es la potencia máxima, pero lo que realmente queremos es la potencia promedio, porque eso es lo que dará la especificación de su láser. Da la casualidad de que esto solo introduce un factor de la mitad:

PAG AV = mi 2 2 η

Recuerda eso PAG AV es la potencia por unidad de área, por lo que debe tomar la potencia de su láser y dividirla por el área del haz. Luego sustituya en la ecuación anterior y resuelva para mi .

Bueno, no sé mucho sobre la potencia real del láser (en vatios/m^2). Entonces, ¿qué amplitudes daría, en volt/metro?
@Cham: Creo que deberías investigar los poderes del láser. No tomará mucho googlear.
No creo que esto sea tan simple. En su cálculo anterior, debe tener en cuenta la distancia a la fuente. Además, ¿qué es η ? Mi pregunta es solo sobre el valor de amplitud típico en un experimento con láseres.
@Cham, hay una amplia variedad de láseres, con potencia de salida de microvatios a megavatios (probablemente más alta instantáneamente en láseres pulsados), con diámetros de haz de micras a metros, etc., por lo que no hay un "láser típico" para dar una fuerza de campo valor por. (Además, la forma en que el rayo se propaga después de dejar el láser depende del láser y la óptica utilizada con él) Debe decidir qué láser le interesa y hacer los cálculos.
@ThePhoton, estoy interesado en un orden de magnitud de las amplitudes que se encuentran en una onda láser "intensa". ¿Qué "valores más altos" máximos puedo esperar para una onda electromagnética ?
He editado la pregunta para mayor precisión.
@Cham, "intenso" no significa nada hasta que le pones algunos números. Entonces, si intenso significa más de 1 kV/m, entonces la intensidad de campo en un haz "intenso" está por encima de 1 kV/m. Para los experimentos realizados en condiciones atmosféricas normales, se crea un límite porque si la intensidad del campo es demasiado alta (superior a unos 3 MV/m), provocará una ruptura dieléctrica del aire, lo que tenderá a interrumpir el haz.
@ThePhoton, se da a entender que el láser está en un espacio vacío. Sin aire. Así que esto es irrelevante. Si lo prefiere, puede eliminar la palabra "intenso" y considerar los valores de amplitud más altos que podríamos encontrar en cualquier láser. Ciertamente NO está por encima 10 18 voltímetro !
@cham, para obtener la mayor intensidad en cualquier láser, es posible que desee ver la Instalación Nacional de Ignición . Wiki dice que lograron una potencia máxima de 411 TW, pero no mencionan el diámetro del haz, por lo que no te dan la respuesta completa. Es probable que los documentos originales lo lleven allí.
@ThePhoton: vea la publicación que vinculé arriba :-)
Veo que tienes una interpretación muy vaga del término "puntero láser".
Genial ... el OP no solo quiere ser alimentado con cuchara, sino que está intimidando a los carteles informados que no pueden dar una respuesta definitiva a su consulta mal definida.

Cuando dices cosas como

Mi pregunta es solo sobre el valor de amplitud típico en un experimento con láseres.

te encuentras con problemas, porque los "experimentos típicos" usan poderes láser que cubren muchos órdenes de magnitud.

En general, el campo eléctrico se encuentra a partir de la intensidad I de la luz, que es igual a la cantidad de energía por unidad de área transmitida por la luz, utilizando la fórmula

I = C ε 0 2 mi 2 ,
que puedes invertir como
mi = 2 I C ε 0 .

Ahora, para obtener la intensidad, necesitas la potencia del láser y el tamaño del punto, y aquí es donde te encuentras con problemas, porque pueden variar enormemente según lo que quieras lograr con el experimento. Sin embargo:

  • El tamaño del punto no suele ser un gran problema. Para un puntero láser normal, puede tomarlo del orden de 1 metro metro 2 , pero si enfoca bien, puede llegar a puntos focales un poco más grandes que la longitud de onda, por lo que para la luz visible del orden de 1 m metro 2 .

  • En el extremo inferior, muchos experimentos se ejecutan en el régimen de un solo fotón por disparo, con quizás un disparo cada microsegundo, que en general es una potencia de láser muy pequeña.

  • Para un puntero láser normal, la potencia se limitará a aproximadamente 1 metro W . (Más alto que eso y se vuelve peligroso).

  • En el extremo superior, los láseres más intensos actualmente en uso producen campos eléctricos tan fuertes que cuando un electrón oscila impulsado por el campo eléctrico del láser, (i) alcanza el régimen relativista, y (ii) su energía de oscilación promedio del ciclo se vuelve varias veces mayor que la energía en reposo de los electrones metro mi C 2 . Eso significa que el movimiento del electrón producirá espontáneamente pares electrón-positrón, con el positrón más tarde recombinándose y emitiendo rayos gamma. Estos no son buenos experimentos para estar de pie.

    Sin embargo, en términos de intensidad, esto sucede en algún lugar a lo largo del 10 19 W / C metro 2 marca, pero el registro es probablemente algo más alto que 10 22 W / C metro 2 estos días.

Eso es suficiente para calcular las cantidades que necesita; He dejado algunas cajas vacías a propósito para que puedas flexionar un poco tus músculos.

Con respecto al punto final, desearíamos poder hacer que los rayos láser fueran lo suficientemente intensos como para arrancar pares de electrones y positrones del vacío, pero lamentablemente todavía estamos muy lejos de eso. Esto se conoce como el límite de Schwinger, alrededor de 10^18 V/m, o una intensidad enfocada de alrededor de 10^24 W/cm^2. Es interesante porque los pares interactuarían inmediatamente con el campo eléctrico del haz, rompiendo la linealidad del electromagnetismo. Está algo lejos de ser realizado.
+1 Realmente aprecio esta respuesta, ya que brinda números experimentales reales para trabajar y pensar. Las ecuaciones son buenas, pero obtener algunos números para desarrollar una escala mental es muy útil.

Una regla simple: campo eléctrico (en V/m) = 2745*sqrt(intensidad), mientras que la intensidad se da en W/cm²

¿Cuál es la amplitud del campo eléctrico en un láser?
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