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Estudio del mecanismo de la generación de la coherencia en la emisión estimulada con fotones libres

Resumen

La emisión estimulada se caracteriza por ser el único fenómeno que permite clonar el estado cuántico de un fotón, es decir, el fotón emitido tiene la misma energía, polarización y está en fase con el fotón incidente. Este hecho diferencia la emisión estimulada de la espontánea, en la cual el fotón emitido tiene una energía, polarización y fase aleatoria. Además, la emisión estimulada es el proceso fundamental para conseguir radiación coherente en un sistema LASER cuya coherencia está limitada solo por la emisión espontánea, debido a que el fotón emitido por emisión estimulada no es idéntico con el fotón emitido por emisión espontánea. No obstante, los modelos actuales para describir el estado de un fotón presentan la falencia de no poder distinguir entre dos fotones que tengan la misma energía y polarización, y más aún, ningún modelo asocia alguna fase a estos estados. En este trabajo se propone una nueva descripción del fotón como un paquete de ondas de estados coherentes, el cual se denomina aquí como un Fotón de Fase, y se demuestra que este estado constituye una representación válida del fotón, con la cual, se logra encontrar una función de onda que es solución a la ecuación de onda cuántica relativista del fotón, y que además tiene una fase global asociada, permitiendo así distinguir entre dos fotones que tengan la misma energía y polarización por medio de la fase asociada a cada fotón. Finalmente, haciendo uso de los operadores bosónicos de creación y aniquilación para estos fotones de fase, se modifica el Hamiltoniano de interacción de Jaynes-Cummings y se logra mostrar que esta descripción permite entenderla emisión estimulada como una clonación del estado del fotón, donde, además, los fotones comparten la misma fase y su estado es diferente a un fotón emitido por emisión espontánea.