Номер 1, страница 205 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

1. Объясните принцип действия лазера.

1. Объясните принцип действия лазера.

Принцип действия лазера основан на явлении вынужденного (индуцированного) излучения. Само слово "лазер" является акронимом английского выражения "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что переводится как "усиление света посредством вынужденного излучения".

Рассмотрим основные физические процессы, лежащие в основе работы лазера:

• Поглощение. Атом, находящийся на нижнем энергетическом уровне $E_1$, поглощает фотон с энергией $E_{ф} = h\nu$, равной разности энергий двух уровней ($E_2 - E_1$), и переходит в возбужденное состояние с энергией $E_2$.
• Спонтанное излучение. Атом в возбужденном состоянии $E_2$ может самопроизвольно (спонтанно) вернуться в основное состояние $E_1$, излучив при этом фотон с энергией $E_{ф} = E_2 - E_1$. Направление, поляризация и фаза этого фотона случайны. Этот процесс лежит в основе работы обычных источников света (например, ламп накаливания).
• Вынужденное (индуцированное) излучение. Это ключевой процесс для лазера. Если возбужденный атом (на уровне $E_2$) встречает пролетающий мимо фотон с энергией, в точности равной $E_2 - E_1$, этот фотон может "вынудить" атом перейти на нижний уровень $E_1$. При этом атом излучает второй фотон, который является точной копией первого: он имеет ту же энергию (частоту), то же направление распространения, ту же поляризацию и ту же фазу. Таким образом, вместо одного фотона мы получаем два идентичных, когерентных фотона. Происходит усиление света.

Для того чтобы усиление света преобладало над поглощением, необходимо создать особое состояние вещества, называемое инверсной населенностью. В нормальных условиях (при термодинамическом равновесии) число атомов на нижних энергетических уровнях всегда больше, чем на верхних. При инверсной населенности, наоборот, число атомов в возбужденном состоянии ($N_2$) становится больше, чем в основном ($N_1$).

Создание инверсной населенности достигается процессом накачки — подводом энергии к активной среде лазера. Накачка может быть оптической (свет от мощной лампы или другого лазера), электрической (газовый разряд), химической и т.д.

Конструктивно лазер состоит из трёх основных частей:

1. Активная среда. Вещество (газ, кристалл, жидкость, полупроводник), в котором создается инверсная населенность.
2. Источник накачки. Устройство, поставляющее энергию для возбуждения атомов активной среды.
3. Оптический резонатор. Система из двух параллельных зеркал, размещенных на концах активной среды. Одно зеркало делается полностью отражающим, а второе — частично прозрачным (полупрозрачным).

Фотоны, рожденные в результате спонтанного излучения и летящие вдоль оси резонатора, многократно отражаются от зеркал и проходят через активную среду. Проходя через среду с инверсной населенностью, они вызывают лавину вынужденных излучений, создавая все больше и больше когерентных фотонов. Свет многократно усиливается. Через полупрозрачное зеркало часть этого мощного, узконаправленного и когерентного потока фотонов выходит наружу, образуя лазерный луч.

Ответ: Принцип действия лазера заключается в усилении света за счет вынужденного (индуцированного) излучения в активной среде с инверсной населенностью уровней, которая создается с помощью внешней накачки энергии. Оптический резонатор обеспечивает многократное прохождение света через активную среду, что приводит к лавинообразному нарастанию числа когерентных фотонов и формированию лазерного луча.

2. В чем заключается роль метастабильных состояний...

Роль метастабильных состояний в работе лазера является ключевой, поскольку именно они делают возможным создание и поддержание инверсной населенности — основного условия для генерации лазерного излучения.

Метастабильное состояние — это возбужденное энергетическое состояние атома, время жизни в котором аномально велико (от $10^{-6}$ до $10^{-3}$ с и более) по сравнению с обычными возбужденными состояниями (время жизни ~ $10^{-8}$ с). Атом, находящийся в метастабильном состоянии, с гораздо меньшей вероятностью вернется в основное состояние путем спонтанного излучения.

Создать инверсную населенность в простой двухуровневой системе практически невозможно. Процесс накачки (возбуждения атомов) конкурирует с процессом вынужденного излучения, и в лучшем случае можно добиться лишь равенства населенностей ($N_1 \approx N_2$).

Использование метастабильных уровней в трехуровневых и четырехуровневых схемах решает эту проблему:

• Трехуровневая схема. Атомы с помощью накачки переводятся с основного уровня $E_1$ на верхний, короткоживущий уровень $E_3$. С уровня $E_3$ они очень быстро (обычно без излучения, отдавая энергию в виде тепла) переходят на промежуточный метастабильный уровень $E_2$. Поскольку время жизни на уровне $E_2$ велико, атомы начинают на нем "накапливаться". Это позволяет добиться того, что число атомов на метастабильном уровне $E_2$ превысит число атомов на основном уровне $E_1$ ($N_2 > N_1$), то есть создать инверсную населенность. Лазерный переход происходит между метастабильным уровнем $E_2$ и основным уровнем $E_1$.
• Четырехуровневая схема. Эта схема еще более эффективна. Накачка переводит атомы с основного уровня $E_1$ на верхний уровень $E_4$. Оттуда они быстро переходят на метастабильный уровень $E_3$. Лазерный переход происходит с метастабильного уровня $E_3$ на нижний рабочий уровень $E_2$, который является короткоживущим. С уровня $E_2$ атомы очень быстро возвращаются на основной уровень $E_1$. Инверсную населенность ($N_3 > N_2$) в этой схеме создать гораздо легче, так как нижний рабочий уровень $E_2$ практически всегда пуст. Это требует значительно меньшей мощности накачки.

Таким образом, метастабильные состояния служат своеобразными "накопителями" для возбужденных атомов, позволяя им задерживаться на верхнем рабочем уровне достаточно долго для создания инверсной населенности, которая необходима для преобладания вынужденного излучения над поглощением.

Ответ: Роль метастабильных состояний заключается в том, что благодаря своему большому времени жизни они позволяют накапливать атомы на верхнем рабочем энергетическом уровне. Это накопление делает возможным создание инверсной населенности — состояния, при котором число возбужденных атомов превышает число атомов на нижнем рабочем уровне, что является необходимым условием для лазерной генерации.