Лазерный отражатель на Луне

[Aledr]

Gleb1964, я это как раз и пытаюсь понять. Представляю себе поток фотонов в кристалле лазера, в котором каждый фотон имеет случайное отклонение от среднего вектра направления на 15/2'. Похоже по этой причине луч на растоянии и расходится. А "расширение" луча с помощью оптики это отклонение от среднего направления снижает, но взамен луч получается широким. Значит, выходит что и очень тонкий луч тоже может существовать, а причина невозможности его получения кроется в генераторе. Т.е. фотоны по направлению не абсолютно параллельны получаются в лазере.

[Gleb1964]

Фотоны, генерируемые в лазере, упрощенно говоря, неразличимы. По крайней мере для каждой из мод лазера. Моды лазера это такие типы устойчивых колебаний, которые могут существовать в резонаторе. У разных мод разное распределение амплитуды и фаз, чему соответствует и разная расходимость. Но для данной моды (типа колебаний) будет одинаковая расходимость для любого из фотонов данной моды.

[СТРОБОСКОП]

На рисунке видно, что усиление в активной среде происходит только в области выделенной на рисунке (внутри активного элемента) из-за присутствия зеркал, которые возвращают фотоны в эту область Все фотоны, которые первоначально вылетают в других направлениях, выходят из области усиления и не участвует в формировании луча. Но область усиления имеет не строго параллельные границы.

[Aledr]

А вогнутое зеркало как бы не даёт уйти отклоняющимся от оси фотонам, с зоны генерации? Все равно мне кажется, что при таких условиях могут образоваться непараллельные фотоны. Если бы были умные зеркала, не пропускающие фотоны, которые не сходили туда и обратно скажем 10 раз, тогда все отклоняющиеся фотоны успели бы уйти на периферию. Остались бы только самые параллельные, имхо. При этом вогнутого зеркала не должно быть.

[СТРОБОСКОП]

А вогнутое зеркало как бы не даёт уйти отклоняющимся от оси фотонам, с зоны генерации?

В общем правильно.

Существуют  резонаторы и с плоскопараллельными зеркалами (обычно в твердотельных лазерах).  И расходимость луча в таком случае будет меньше, Но, уже большая часть фотонов будет уходить из зоны достаточного усиления и поэтому мощность выходного излучения будет много меньше.

[Aledr]

Понятно, что при этом придётся пожертвовать мощностью импульса, но за то фотоны получатся параллельными.

[Aledr]

А если увеличить длину оси для компенсации потерь мощности? Понятно, что много не получится таким способом вытащить.

[СТРОБОСКОП]

Очевидно, что генерация излучения возникает когда усиление превышает потери. в любом резонаторе область наиболее близкая к оси (как вы ее называете " с наиболее параллельными фотонами") обладает наибольшим коэффициентом усиления (за счет наибольшего количества проходов по активному элементу), поэтому центральная часть пятна имеет максимальную интенсивность. Чем больше угол, тем меньше проходов у фотона, и тем меньше он усиливается. Поэтому и распределение интенсивности излучения по диаметру пучка, имеет вид распределения Гаусса.
Цитата А если увеличить длину оси для компенсации потерь мощности? Понятно, что много не получится таким способом вытащить.
 Все верно, Мощность одномодового режима увеличивается. Но увеличиваются требования к точности юстировки оптических элементов (особенно в газовых лазерах). увеличивается мощность блоков питания, да просто размеры и вес растут. Хотя расходимость уменьшается.

[Aledr]

А с чем может быть связано это отклонение? Не влияет ли случаем температура кристалла, тепловое колебание? Если бы он генерировал при абсолютном нуле, изменилась ли бы картина расходимости?

[Aledr]

Если это предположение неверное, тогда может сама конфигурация оптической системы формирует поток фотонов, со свойственым для этой конфигурации отклонением, в результате многократных переотражений от зеркал.

[СТРОБОСКОП]

А с чем может быть связано это отклонение?

Если взять для примера гелий-неоновый лазер, то когда горит разряд в трубке, то он светит приятным морковным светом во все стороны. А уже при наличии зеркал резонатора выделяется узкое направление вдоль которого обеспечивается достаточное усиление и образуется лазерный луч.

Если это предположение неверное, тогда сама конфигурация оптической системы формирует поток фотонов, со свойственым для этой конфигурации отклонением, в результате многократных переотражений от зеркал.
А вот это уже ближе к истине.
Кстати КПД гелий неонового лазера 0,01-0,1 %, даже несмотря на то, что трубка лазера уже имеет форму длинного капилляра.

[Aledr]

Может тогда столкновение фотона с атомом не вызывает излучение дочернего фотона обязательно в том же направлении, как написано в приведённой вами цитате из википедии, а носит случайный характер? А направленное излучение получается в результате многократных переотражений и потерь только как итог?

[СТРОБОСКОП]

Нет

[Aledr]

Имею ввиду не то, что дочерний фотон может излучаться в любом направлении. Приемущественно конечно же он будет в том же направлении.

[Aledr]

В обратном направлении он точно излучаться не будет. А вот в стороны, в пределах даже 30-40 градусов. Вы же пишете что без зеркал он светится как обычная неоновая лампа. Излучение в сторону незаметно с зеркалами потому, что в этих направлениях нету усиления. В этих направления генерируется лишь малая доля излучения, когда как приемущественная генерация вдоль зеркал "съедает" быстро все возбужденные атомы. Я так объясняю это.

[СТРОБОСКОП]

Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу, поляризацию, а также направление распространения, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными.

[Aledr]

Если это установленный экспериментальный факт, тогда сложно противоречить ему. Но какой эксперимент это может подтвердить? Измерение интенсивности в отклоняющихся от оси углах? Я предположил с чем может быть связано меньшая интенсивность в этих направлениях. Может углы чуть по-меньше, не 30-40 градусов. Я примерно взял.

[СТРОБОСКОП]

Это уже не имеет отношение к теме. И так далеко ушли.

[Aledr]

Скорее всего я ошибся. Это может быть только в том случае, если вероятность излучения в направлении иницируюещего фотона будет преобладать. Насколько преобладать? Может даже достаточно чуть чуть.

[СТРОБОСКОП]

Почитайте еще про: https://ru.wikipedia.org/wiki/Инверсия_электронных_населённостей