¿Por qué el fotón se emite en la misma dirección que la radiación entrante en el láser?

La palabra "estimulado" significa que la emisión del fotón se "fomenta" por la existencia de fotones en el mismo estado que el estado en el que se puede añadir el nuevo fotón. El "mismo estado" es aquel que tiene la misma frecuencia, la misma polarización y la misma dirección de movimiento. Tal estado de un fotón puede ser descrito por el vector de onda y el vector de polarización, por ejemplo$|\vec k,\lambda\rangle$.

La razón física por la que a los fotones les gusta ser emitidos en el mismo estado que otros fotones es que son bosones que obedecen a las estadísticas de Bose-Einstein. La amplitud de probabilidad para un nuevo,$(N-1)$-st fotón que se agregará a un estado de un fotón que ya tiene$N$fotones en él es proporcional al elemento de matriz del operador de elevación

Este coeficiente$N+1$se puede dividir a$1$más$N$. El término$1$describe la probabilidad de una emisión espontánea, que ocurre incluso si no hubiera otros fotones presentes en el estado inicial, mientras que el término$N$es la emisión estimulada cuyas probabilidades escalan con el número de fotones que ya están presentes.

Pero en todos los casos, debemos hablar de "exactamente el mismo estado de un fotón", lo que también significa que la dirección del movimiento es la misma. Es porque la teoría cuántica de campos asocia un oscilador armónico cuántico con cada estado, es decir, con cada información.$\vec k$sobre la dirección del movimiento y la longitud de onda; combinado con una información binaria sobre$\lambda$, la polarización (por ejemplo, zurdo frente a diestro).

Creo que está profundamente relacionado con el hecho de que los fotones son bosones , ergo, siguen las estadísticas de Bose-Einstein , o en este caso hacen un condensado de Bose-Einstein.

Si no está familiarizado con este emocionante concepto, le sugiero que eche un vistazo a este artículo de Wikipedia o cualquier otro libro de texto de mecánica estadística que tenga a mano. De todos modos, los dos fotones que forman un condensado de Bose-Einstein significa que los dos fotones tendrán la misma fase (y obviamente longitud de onda) y ocuparán el mismo punto en el espacio todo el tiempo.

Espero que esto haya sido útil.

¡Esta es una gran pregunta, y creo que merece una reflexión muy profunda!

Permítanme revisar brevemente mi comprensión de un láser. Para un láser, normalmente hay dos canales en los que los átomos pueden decaer emitiendo fotones: hacia el espacio libre o hacia una cavidad. Puramente por descomposición espontánea, es más probable que el átomo emita fotones al espacio libre. Sin embargo, debido a que la cavidad almacena sus fotones antes de liberarlos en un haz, los fotones comienzan a acumularse en la cavidad. Entonces, estos fotones en exceso pueden estimular la emisión en la cavidad y los átomos comienzan a emitir más y más de sus fotones en la cavidad en lugar de espacio libre. Cuando este proceso se acaba con una gran cantidad de fotones, la luz de salida de la cavidad es luz láser.

Finalmente, comprender por qué los fotones son idénticos significa comprender qué hace una cavidad. El efecto de la cavidad es modificar drásticamente los estados permitidos del entorno electromagnético, limitando específicamente las posibles propiedades de los fotones que almacena. En particular, resulta que las cavidades monomodo utilizadas en muchos láseres solo pueden almacenar fotones que tienen propiedades idénticas, y debido a que los fotones son bosones, es posible tener muchas partículas idénticas de luz (fotones) en el modo de cavidad.

Por otro lado, si un átomo excitado estuviera sentado en el espacio libre e interactuara con un fotón, entonces la emisión de fotones generalmente no produce dos fotones con propiedades idénticas. Esta es en realidad un área activa de investigación, es decir, calcular cómo se ve el estado después de la estimulación.