La luz láser es coherente porque la cavidad láser solo admite modos de resonador específicos.
Un resonador simple y la distribución del campo eléctrico de su modo gaussiano. La línea recta representa un espejo plano, la línea curva representa un espejo curvado, el cuadro gris representa el medio de ganancia y las regiones roja y azul muestran la distribución del campo eléctrico. Imagen de la Enciclopedia RP Photonics .
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Como puede ver arriba, la luz dentro de la cavidad del láser tiene máximos y mínimos en ubicaciones específicas, que se muestran en rojo y azul. Ahora visualice cómo se vería esta imagen si uno de los espejos fuera ligeramente transparente; la luz que logra salir de la cavidad continuaría estableciendo máximos y mínimos, es por eso que la luz es coherente.
Editar: Me gustaría establecer claramente que la coherencia NO se debe a la emisión estimulada. Este es un error muy común, incluso entre los físicos. De hecho, cuando estaba tomando un curso de láser de nivel de posgrado, la mayoría de la clase (incluido yo mismo) inicialmente entendió mal este tema y nuestro profesor nos consoló al afirmar que muchos profesores también lo hacen.
Anthony Siegman aparentemente también se encontró con muchos que tienen puntos de vista erróneos sobre la fuente de coherencia en la luz láser y declaró explícitamente en la sección 1.7 de su libro Lasers que “un punto importante a tener en cuenta es que todas estas propiedades de coherencia surgen principalmente de la resonancia clásica”. propiedades de la cavidad del resonador láser, como describimos en la sección anterior, en lugar de cualquiera de las propiedades de transición cuántica de los átomos láser “.
Para dar un ejemplo más simple, digamos que tenemos luz (que represento aquí como una onda sinusoidal) en una cavidad óptica que está formada por dos espejos.
Ejemplo de un modo resonador. Las dos líneas verticales negras representan espejos. La onda sinusoidal azul representa una onda de luz que es soportada por la cavidad óptica formada por los dos espejos.
La luz viajará de ida y vuelta dentro de esta cavidad muchas, muchas veces; Debido a esto, la luz tiene muchas oportunidades de interferir consigo misma. Esta interferencia suprime la luz si tiene ciertas longitudes de onda y patrones de radiación, mientras que permite la propagación de la luz si tiene otras longitudes de onda y patrones de radiación: los tipos de luz soportados por la cavidad se denominan modos resonadores de la cavidad. En general, la luz que se repite con cada viaje de ida y vuelta a través de la cavidad es la más estable y forma un modo de resonador.
Ejemplos de interferencia de luz en una cavidad óptica. Con interferencia constructiva, las ondas de luz están en fase y, por lo tanto, la onda resultante tiene una mayor amplitud. Con una interferencia destructiva, las ondas de luz están desfasadas y, por lo tanto, se cancelan entre sí.
De lo anterior, puede ver que la luz que comprende un modo de resonador está en fase (porque la interferencia destructiva suprime la luz de fase). Dado que la luz dentro de la cavidad está en fase, la luz que escapa de la cavidad también está en fase.
Un láser, en su forma más simple, es solo una cavidad óptica con algún medio de ganancia. Debido a esto, las cavidades láser admiten modos de resonador específicos. Como fue el caso con una cavidad óptica aislada, la luz que escapa de la cavidad láser proviene de uno de estos modos de resonador y, por lo tanto, está en fase, por eso la luz láser es coherente.
Cavidad láser. Misma cavidad óptica que la anterior con algún medio de ganancia adicional.
