Laser - Liceo Mascheroni
annuncio pubblicitario
Laser Emissione stimolata • Il passaggio di fotoni nelle vicinanze di un atomo può influenzarne in modo drastico i "meccanismi" di emissione, costringendolo, o quasi, ad emettere un fotone in tutto e per tutto identico a quelli che stanno passando. • LASER = Light Amplification by Stimulated Emission Radiation Fotoni distinguibili 2 1 Atomo 2 1 Atomo Se i fotoni sono distinguibili, i due disegni rappresentano due eventi distinti. Stima della probabilità • Poiché i fotoni sono in linea di principio distinguibili, le ampiezze si riferiscono ad eventi distinti e quindi si devono sommare le probabilità 2 2 P R1 B2 R2 B1 • I due fotoni hanno circa la stessa ampiezza A di entrare nel rivelatore. P2A 4 Fotoni identici • Si devono sommare le ampiezze: P R1 R2 R2 R1 2 P 2A 2 2 4A 4 • La probabilità di avere due fotoni rossi nel contatore è il doppio di quella di averne uno rosso e uno blu. n fotoni identici La situazione fisica si realizza in n! modi equivalenti. PR n! A n 2 n! A 2 2n n 2 n 1!2 A . 2n n fotoni identici raggiungono n contatori ravvicinati. Il numero di modi in cui l’evento può realizzarsi è pari al numero di permutazioni di n oggetti. Fotone emesso blu •Se il fotone emesso è blu dobbiamo sommare n probabilità, una per ogni contatore in cui il fotone blu può essere identificato. PB n n 1! A Numero dei contatori in cui può essere trovato il fotone blu. n 2 n n 1! A 2 2n Probabilità dell’evento: fotone blu in uno specifico contatore •La probabilità PR di emissione di un fotone identico agli altri è n volte maggiore di quella PB per l'emissione di un fotone differente, PR = nPB. •Se n = 100, è 100 volte più probabile che l'atomo emetta un fotone rosso, identico a quelli che stanno passando. •Il processo fisico di emissione stimolata venne per la prima volta proposto da Einstein in un articolo del 1917, dedicato alla deduzione, su base esclusivamente quantistica, della legge del corpo nero di Planck. •Bisogna però attendere gli anni 60 perché il fenomeno trovi applicazione pratica nella costruzione dei primi laser. Risonanza • Per il fotone tra due specchi sono permessi solo certi valori dell’energia. • È facile trovarli sfruttando la condizione di stazionarietà 2L = n. Le frequenze permesse sono c c hc n n En n n 2 L 2L Il laser a singolo atomo • I risultati che abbiamo trovato sono a dir poco sorprendenti: la probabilità che un atomo emetta un fotone dipende dalla distanza tra gli specchi! • Se 2L è un multiplo intero della lunghezza d’onda dell’eventuale fotone, la probabilità di emissione ne risulterà amplificata e l’atomo emetterà il fotone in un tempo più breve che in assenza degli specchi. • Se invece la condizione non è verificata, l’atomo tenderà a rimanere nel suo stato eccitato. • Insomma, è come se l’atomo sapesse della presenza degli specchi, anche se essi sono posti ad una distanza enorme rispetto alle dimensioni tipiche del mondo microscopico M. Feld e K. An del MIT (anni 90) Un fascio di atomi di Bario viene indirizzato tra i due specchi di una cavità risonante. Prima di entrare, gli atomi sono portati in uno stato eccitato tramite un fascio laser di opportuna lunghezza d’onda. • Citiamo direttamente dall’articolo di Feld e An (Le Scienze): “In condizioni normali, gli atomi sarebbero tornati spontaneamente allo stato fondamentale mediamente in milionesimi di secondo, emettendo fotoni della lunghezza d’onda di 791 nm. Poiché la cavità era costruita in modo da avere la stessa lunghezza d’onda risonante, forzava alcuni degli atomi di bario a emettere i loro fotoni durante i 200 miliardesimi di secondo in cui passavano tra i due specchi. Quando il primo atomo entrava nel risonatore vuoto, la probabilità che subisse un’oscillazione di Rabi nel vuoto ed emettesse un fotone era pari al 23 per cento. Una volta che il primo fotone era emesso, tuttavia, il campo elettromagnetico creato all’interno del risonatore esercitava una influenza più intensa sul successivo atomo di bario che entrava nella cavità. La probabilità che questo atomo emettesse un fotone saliva così al 42 per cento. All’aumentare del numero di fotoni nel risonatore, la probabilità di emissione fotonica aumentava sempre più. Inoltre, tutti i fotoni emessi avevano la stessa direzione e fase, definite dalla geometria del risonatore. Il risultato era un debole fascio di fotoni laser, trasmesso fuori dalla cavità in direzione perpendicolare al fascio di atomi.” S. Haroche e J. M. Raimond dell’ENS di Parigi • “Nel 1986 uno degli autori (Haroche), insieme ad altri fisici della Yale University, costruì una struttura di dimensioni micrometriche sovrapponendo due specchi perfettamente piani separati da sottilissimi distanziatori metallici. In questo spazio venivano poi inviati gli atomi, impedendone così l’emissione di radiazione per un tempo pari anche a 13 volte la vita media dello stato eccitato in condizioni normali.”
