Лазер - что это такое?

[REX]

Попытки использовать радиотехнические модельные представления в большой физики были. (Например, в "Имманентной космологии" Вулло Л.И.)

Я тоже пытаюсь их использовать на этом форуме. Использовалась же примитивная астрономическая планетарная модель Бором. Почему бы не использовать и куда более изощрённые радиотехнические модели?

Но при этом возникают проблемы...

Во-первых, физики к этому просто не готовы. А во-вторых такое использование уместно далеко не везде.

Например, если Вы решили затеять большую перестройку в современной физике, то это может быть уместно.

А если Вы хотите использовать радиотехнические модельные представления в пределах границ компетенции существующей квантовой механики или космологии, то из этой затеи ничего путного точно не выйдет!

Ещё Фейнман советовал просто решать уравнения квантовой механики, не утруждая себя попытками поиска физического смысла...

[Freude]

Да нет, вы ошибаетесь. Методы и аналогии из классической механики и электродинамики в квантовой механике используются давно, интенсивно и по сей день. Просто эти модели не голословны, как ваши сообщения на форуме, а, во-первых, очень хорошо аргументированы (и с помощью экспериментальны фактов и теоретически (математически)), во-вторых, эти модели выдержали отбор в конкурентной борьбе, только не на форуме, а в журналах класса Phys Rev. Например, осцилаторная модель, с помощью которой описывают дипольные взаимодействия излучения и вещества. Фейман очень часто использует эту модель.

Добавлено спустя 8 минут 45 секунд:

Есть определенный тип знатоков тут, которые рисуют чудо-теории, но как дело доходит до цифры, т.е. "сколько?" - сразу начинается игнор, обиды и пр. Например, если длительность цуга ограничена то чем, чему равна максимальная его длительность? Цифру, плз. Если лазер - это "антенка", то чему равна ее диаграмма направленности, излучаемая мощность, какова ее геометрия и пр. Как их определить из классики?

Инженеру, который проектирует лазерный скальпель не нужны "антенки", ему надо знать выходные характеристики этого лазера. Если с помощью "антенок" можно получить эти характеристики, то никто не будет давить эту теорию, только спасибо скажут. Примитивная модель Бора дает хоть какое-то представление о спектре атома. Под словом "представление" я понимаю в том числе и численные оценки спектра поглощения, люминисценции.

[AlexNew]

численные значения дает КМ, но физика остается физикои и именно колебания маленького зарядика в атоме вызывает излучение эм волны. Не верите? решите веменое уравнение Шредингера для излучательного перехода.
(В интернете можно наити пару статеи если решать лень)

В лазеры классическая физика проникает в виде спонтаного излучения, с которым до сих пор не все ясно...
и даже квантовая механика не помогает расчитать эту штуку.

Мне кажется что лазер похож скорее на синфазную антенную решетку, в которои каждая аннтенка обладает сложными своиствами.

Все для чего используется КМ при расчете так это в лучшем своистве поиску интегралов перекрытия волновых функции излучающих атомов=антенок (матрица дипольных переходов).

Зато шуму про квантовые генераторы

Добавлено спустя 5 минут 36 секунд:

Коэффициенты Эинштеина находятся из термодинамики кстати и формулы планка, вот и вся КМ в лазерах

Добавлено спустя 14 минут 40 секунд:

неужели это так удивительно что изменение заряда в пространстве излучает эм волну!

ну и что, что заряд маленьки, зато их много

чтобы понять как происходит фазировка используите квантовую теорию полю и считаите вероятность спонтанных переходов

Добавлено спустя 4 минуты 56 секунд:

вынужденые можно посчитать используя взаимодеиствие эм поля с зарядом (классич уравнение без теории К поля)

Добавлено спустя 7 минут 47 секунд:

Итог: не стоит делить физику на квантовую и классическую.
Нужно просто понимать в чем суть явления.

Не квантовая механика излучает эм волны а электроны. От того что квантовая (а не классич) механика описывает эл и фотоны суть дела не меняется.

пустои спор

[Freude]

Цитата:

даже квантовая механика не помогает расчитать эту штуку

Это неправда, см., например, Zory P.S. Quantum well lasers.

Цитата:

Мне кажется что лазер похож скорее на синфазную антенную решетку, в которои каждая аннтенка обладает сложными своиствами.

А мне кажется лазер похож на ромашку.

Цитата:

Все для чего используется КМ при расчете так это в лучшем своистве поиску интегралов перекрытия волновых функции излучающих атомов=антенок (матрица дипольных переходов).

Вероятность переходов (спектр люминесценции) могут быть получены в простейшем случае с помощью квантовомеханического "Золотого правила Ферми."

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0% ... 0%BC%D0%B8

Согласно этому правилу, для того чтобы посчитать спектр люминесценции, кроме матричного элемента, надо ище знать плотность состояний системы. Так вот, как найти плотность состояний с помощью "антенок"? Квантовая механика позволяет найти плотность состояний, зная геометрию системы (конфигурацию поля атома или строение решетки полупроводника).

[AlexNew]

Freude писал(а):

Согласно этому правилу, для того чтобы посчитать спектр люминесценции, кроме матричного элемента, надо ище знать плотность состояний системы. Так вот, как найти плотность состояний с помощью "антенок"? Квантовая механика позволяет найти плотность состояний, зная геометрию системы (конфигурацию поля атома или строение решетки полупроводника).

спасибо за ссылки!
я не встречал как можно посчитать плотность состоянии,
можно ли использовать обучное распределение по энергиям Больцмано или ферми?

При опосании работы лазера КМ описывает не излучение волны отдельным атомов, а поведение большого коллектива частиц, т.е описывает фазировку.
ГЛУБОКОЕ своиство отддельнои антенны входит как время жизни осциллятора в возбужденном состоянии.

Но почемы вы против интерпритации лазера как большои совокупности маленьких антенн? это вполне разумная Физическая интерпритация, которую подтверждает КМ, другое дело что обучно такие тонкости не нужны при расчете лазеров...
а вот теория сверхизлучения Дики, например, прямо говорит про фазировку антеннок )

(книжку я поищу, well лазеры звучит многоонещающе, наверное рассматривают влияние резонатора на время спонтанного излучения)

[Freude]

AlexNew писал(а):

можно ли использовать обучное распределение по энергиям Больцмано или ферми?

Нет, функция распределения и плотность состояний - это разные вещи, но обе наобходимы для моделирования лазера. Вот как выглядит в первом приближении теории возмущения формула для люминесценции:

$\alpha(E) \sim |M_{ab}|^2 \rho_{joint}(E) f_a(E) f_b(E) $

$|M_{ab}|^2$ - матричный элемент перехода
$\rho_{joint}(E)$ - объедененная (приведенная) плотность состояний
$f(E)$ - функция распределения Ферми-Дирака

Если у нас два дискретных уровня, то эта формула пробразуется к виду:


$\alpha(E) \sim |M_{ab}|^2 \delta(E_b-E_a) f(E_a) f(E_b) $

Обе формулы для квазиравновестного состояния, когда лазер излучает в steady-state режиме. Если режим неравновестный, то необходимо решать уравнения квантовой динамики, из которых получим модифицированные функции распределения (не Ферми-Дирака).

Цитата:

При опосании работы лазера КМ описывает не излучение волны отдельным атомов, а поведение большого коллектива частиц, т.е описывает фазировку.

В том числе и излучение отдельного атома. Лазер состоит из люминесцирующего вещества, помещенного в оптический резонатор. Что бы получить спектральные характеристики на выходе, необходимо знать и спектр люминесценции и спектр резонатора. Фазировка учитывается с помощью рассмотрения вынужденных переходов, которые можно представить формулой:

$ph+A' \rightarrow 2 ph+A$

$A'$ - система (атом например) в верхнем энергетическом состоянии
$A$ - система (атом например) в нижнем энергетическом состоянии
$ph$ - фотон

После взаимодействия фотона с возбужденной системой получаем два идентичных фотона (в смысле фазы и частоты)

Цитата:

ГЛУБОКОЕ своиство отддельнои антенны входит как время жизни осциллятора в возбужденном состоянии.

Незнаю насколько оно глубокое, но время жизни определяет как раз дефазировку системы.

Цитата:

Но почемы вы против интерпритации лазера как большои совокупности маленьких антенн? это вполне разумная Физическая интерпритация, которую подтверждает КМ, другое дело что обучно такие тонкости не нужны при расчете лазеров...
а вот теория сверхизлучения Дики, например, прямо говорит про фазировку антеннок )

Ну покажите что оно лучше или дайте ссылку, где это показано. Что такое теория сверхизлучения я не знаю. Проблема с антеной в том, что она имеет какую-то диаграмму направленности, которая будет влиять на формирование пучка лазера. В реальности пучок лазера формируется исключительно резонатором. Или вы хотите предложить антену, которая будет менять свою диаграмму направленности в зависимости от параметров резонатора, в который она помещена? Другими словами, антена должна излучать равномерно во всех направлениях в отсутствии резонатора и сильнонаправленно в резонаторе.

[AlexNew]

Спасибо за подробныи ответ!!!!

вся диаграма направленность этои антенки описывается матричным элементом перехода. Излучение в лазерах вунужденное поэтому все атомы светют куда надо. Ничего нового для вычислении эта интерпритация не даст!!!
я просто заметил что переменныи зарюд излучает эм волну и не стоит этому удивлятся даже если у вас атом.

Есть пару работ в инете. Книжка по спектроскопии 197.. года не помню авторов, легко можно наити по ключ словам 2х уровневая системя, излучение, ...

Вы ответили на мои вопрос про поиск плотности состоянии ыровнеи ц помощью стат физики (в виде распред атомов по энергиям) отрицателино... хотя сами привели распределение Ферми-Дирака... странно

и добавили про "уравнения квантовой динамики" это что еще за динамика такая? вы случаино не про скоростные?

Добавлено спустя 6 минут 21 секунду:

уравнения

[Freude]

Цитата:

Вы ответили на мои вопрос про поиск плотности состоянии ыровнеи ц помощью стат физики (в виде распред атомов по энергиям) отрицателино... хотя сами привели распределение Ферми-Дирака...

В формулах, которых я привел, кроме статистики есть еще плотноcть состояний, которая определяется конфигурацией системы.

Цитата:

и добавили про "уравнения квантовой динамики" это что еще за динамика такая? вы случаино не про скоростные?

Скоростные уравнения, которые используют для моделирования лазеров, это не квантовая динамика. Это феноменологический уровень моделирования, хотя эти уравнения можно получить и из уравнений квантовой динамики. Уравнения квантовой динамики - это уравнения квантовой механики, содержащие время. Это может быть нестационарное уравнение Шредингера, уравнение Гейзенберга, уравнение Лиувиля для матрицы плотности, кинетическое уравнение для функции Грина и т.д.

[AlexNew]

Frude писал(а):

В формулах, которых я привел, кроме статистики есть еще плотноcть состояний, которая определяется конфигурацией системы.

тоесть сначала ищем плотность состоянии, как функцию плотности уровнеи от энергии а потом расматриваем заполнение этих уровнеи исходя из стат физики?

но ведь лазер это в худшем случае 4х уровневая система, возможно плотность состоянии характеризует вырожджние каждого из уровнеи по энергии, но это вырождение входит в стат распрееление? Не моглибы Вы пояснить поподробнее как посчитать эту плотность уровнеи?

Frude писал(а):

уравнения квантовой динамики - это уравнения квантовой механики, содержащие время. Это может быть нестационарное уравнение Шредингера,

так как лазер это система большого числа частиц то нужно решать временное уравнение описывающее систему многих частиц. Переходить к числам заполнения. Ну это уже почти КТП!!!

Может вы знаете книгу или ссылки на статьи? Спасибо

отличная ветка получилась! достаточно простое обьяснение сложнои темы.

[Freude]

Цитата:

но ведь лазер это в худшем случае 4х уровневая система, возможно плотность состоянии характеризует вырожджние каждого из уровнеи по энергии, но это вырождение входит в стат распрееление? Не моглибы Вы пояснить поподробнее как посчитать эту плотность уровнеи?

http://en.wikipedia.org/wiki/Density_of_states

Если уровни дискретны и их число конечно, то функция плотности состояний в этом случае становится комбинацией дельта-функций. Т.е., правильно, достаточно знать степень вырождения уровней и расстояние между ними. Эту информацию можно получить решая уравнение Шредингера для рассматриваемой системы. Но состояния системы не всегда характеризуются дискретными уровнями. Может иметь место континуум состояний или зонная структура. Тогда функция плотности состояний уже имеет какой-то специфический вид, который тоже можно получить решая квантовомеханическую задачу. Например, если частица движется в свободном пространсве с импульсом $p$, то ее спектр состояний - сплошной, энергия равна $E=\frac{p^2}{2m}$,а функция плотности состояний пропорциональна $\sqrt{p}$.

Цитата:

так как лазер это система большого числа частиц то нужно решать временное уравнение описывающее систему многих частиц. Переходить к числам заполнения. Ну это уже почти КТП!!!

Да, особенно это важно в полупроводниковых лазерах. Там часто ограничиваются уровнем Хартри-Фока. В результате влияние эффектов многих тел сводится к перенормировке ширины запрещенной зоны из-за обменных эффектов в электронно-дырочной плазме.

Цитата:

Может вы знаете книгу или ссылки на статьи?

А какой раздел физики лазеров вас интересует или какие именно лазеры?

[Munin]

Freude
Не подскажете ли литературу, в которой рассматривается статфизика для матрицы плотности?

[Freude]

Я по приложениям могу точнее посоветовать, а таким широким охватом (с фундаментальной точки зрения) ... пожалуй, в этой книге что-то есть:
Mukamel S. — Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy
Вторая или третья глава о пространстве Лиувиля. Сразу прошу прощения если не то, я прикладник все-таки.

[AlexDem]

У меня есть Блум "Теория матрицы плотности и ее приложения", я не успел до неё добраться, но вроде неплохая книга.

Цитата:

Данная книга ставит своей целью ввести читателя в методы теории матрицы плотности, причем основное внимание уделяется ее применениям прежде всего в атомной и ядерной физике. Она предназначена для начинающих, а не для тех, кто хорошо знаком с предметом.

[Munin]

Да, это не совсем то, но всё равно интересно. Я бы хотел матричноплотностного рассмотрения, скажем, ферми или бозе газа, с выключенным и включённым взаимодействием. Впрочем, возможно, я ломлюсь в открытую дверь, и ваша ссылка поможет мне сориентироваться...

Добавлено спустя 4 минуты 3 секунды:

AlexDem писал(а):

У меня есть Блум "Теория матрицы плотности и ее приложения"

Не, с самой-то матрицей плотности проблем нет, вот статистически большую систему в ней рассмотреть - это интересно.

[Freude]

Тогда, возможно:

Haug H., Koch S. Quantum theory of the optical and electronic properties of semiconductors

Глава 6 - Ideal quantum gases

Идея главы такова. Рассматривают матрицу плотности для гранд-канонического ансамбля:

$\hat{\rho}=\frac{exp(-\beta (\hat{H}-\mu N))}{tr (exp(-\beta(\hat{H}-\mu N)))}$ (1)

Зная, что ожидание любой наблюдаемой ансамля, определяется как: $<\hat{Q}>=tr \hat{\rho} \hat{Q}$ (2), там получают функции распределения Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака из гамильтониана для идеального газа:

$\hat{H}=\sum_k E_k a_k^{*} a_k$ (3). Подставляют (1) и (3) в (2), при этом $\hat{Q}=\hat{n}_k=a_k^{*} a_k$

В последующей главе преходят к неидеальному газу, но неидеальность учитывается в дополнительных членах гамильтониана.

Добавлено спустя 14 минут 18 секунд:

Эти вещи подробнее рассмотрены тут: Toda M., Kubo R., Saito N. — Statistical Physics I: Equilibrium Statistical Mechanics, Vol. 1

Там должно быть пояснение почему матрица плотности для гранд-канонического ансамбля выглядит именно так. Этого я не знаю.