Vật lý nghiên cứu chuyên sâu

Laser và tương tác ánh sáng–vật chất

Laser dựa trên phát xạ kích thích trong môi trường có nghịch đảo mật độ; cộng hưởng chọn lọc cách trường điện từ trao đổi năng lượng với vật chất.

Laser dựa trên phát xạ kích thích trong môi trường có nghịch đảo mật độ; cộng hưởng chọn lọc cách trường điện từ trao đổi năng lượng với vật chất.

Mô hình và diễn giải

Hai mức năng lượng E₁<E₂ cộng hưởng với photon hν=E₂−E₁. Photon tới có thể kích thích hấp thụ hoặc kích hoạt phát xạ cùng tần số, pha, hướng và phân cực. Laser cần khuếch đại vượt tổn hao: thường dùng bơm để tạo nghịch đảo mật độ và hốc quang hồi tiếp.

Trắc nghiệm nhanh

Trong môi trường hai mức có bơm, hệ số khuếch đại tỉ lệ với độ nghịch đảo mật độ $N_2-N_1$; nếu chưa đảo mật độ, hấp thụ thắng phát xạ kích thích. Một photon cộng hưởng kích thích chuyển mức tạo photon thứ hai cùng tần số, pha và hướng, còn buồng cộng hưởng chọn mode phản hồi mạnh. Mô hình Bloch quang học kết hợp trường với phân cực vật chất; khi Rabi frequency không nhỏ so với độ rộng vạch, đáp ứng phi tuyến như dao động Rabi và bão hòa trở nên quan trọng.

Mô tả bán cổ điển dùng trường điện từ cổ điển nhưng giữ các mức năng lượng vật chất lượng tử; xấp xỉ lưỡng cực chỉ hợp lệ khi bước sóng lớn hơn nhiều kích thước nguyên tử. Trong giới hạn trường yếu, đáp ứng tuyến tính tạo độ phân cực phụ thuộc tần số; gần cộng hưởng, độ hấp thụ và tán sắc thay đổi mạnh. Khi trường mạnh, cần giải động lực học mật độ để mô tả bão hòa, phát xạ tự phát và cạnh tranh mode.

Độ rộng vạch hữu hạn giới hạn độ kết hợp và quyết định tốc độ khuếch đại; mất mát buồng cộng hưởng phải nhỏ hơn độ khuếch đại vòng để dao động laser tự duy trì. Trong laser xung ngắn, phổ rộng theo nguyên lý thời gian–tần số cho phép xung femto giây. Tương tác trường mạnh tạo thêm dịch chuyển AC Stark và các quá trình đa photon.