Номер 1, страница 139 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

1. К какой области оптики относится нелинейная оптика? В чем заключается ее особенность?

1. Нелинейная оптика — это раздел оптики, который изучает взаимодействие интенсивного когерентного электромагнитного излучения (как правило, лазерного) с веществом, при котором отклик среды (ее поляризация) является нелинейной функцией напряженности электрического поля световой волны.

Традиционная, или линейная, оптика является частным случаем нелинейной оптики для полей малой интенсивности. Она основана на принципе суперпозиции, согласно которому результат воздействия нескольких световых волн на среду равен сумме результатов воздействия каждой из волн в отдельности. В линейной оптике поляризация среды $P$ прямо пропорциональна напряженности электрического поля $E$ световой волны: $P = \epsilon_0 \chi^{(1)} E$, где $\epsilon_0$ — электрическая постоянная, а $\chi^{(1)}$ — линейная диэлектрическая восприимчивость.

Особенность нелинейной оптики заключается в том, что при очень высоких интенсивностях света, сравнимых с внутриатомными полями (что стало возможным с изобретением лазеров), зависимость поляризации от поля становится нелинейной. Эту зависимость можно представить в виде ряда по степеням напряженности поля $E$:

$P = P_{лин} + P_{нелин} = \epsilon_0 (\chi^{(1)} E + \chi^{(2)} E^2 + \chi^{(3)} E^3 + \dots)$

Здесь $\chi^{(2)}$, $\chi^{(3)}$ и так далее — это нелинейные восприимчивости второго, третьего и высших порядков. Они значительно меньше линейной восприимчивости, поэтому нелинейные эффекты проявляются только при очень сильных полях.

Эта нелинейность приводит к возникновению множества новых физических явлений, которые отсутствуют в линейной оптике. К ним относятся, например, генерация гармоник (преобразование света с частотой $\omega$ в свет с кратными частотами $2\omega$, $3\omega$ и т.д., что позволяет получать зеленый свет из инфракрасного), сложение и вычитание частот (взаимодействие двух волн с частотами $\omega_1$ и $\omega_2$ порождает волны с частотами $\omega_1+\omega_2$ и $\omega_1-\omega_2$), самовоздействие света (изменение свойств самой световой волны, например, самофокусировка) и многофотонные процессы (поглощение или испускание нескольких фотонов в одном элементарном акте).

Таким образом, нелинейная оптика является обобщением классической оптики на случай сильных световых полей и изучает явления, возникающие из-за нелинейного отклика вещества.

Ответ: Нелинейная оптика относится к разделу физической оптики, изучающему взаимодействие света высокой интенсивности с веществом. Ее особенность заключается в том, что оптические свойства среды (показатель преломления, коэффициент поглощения) зависят от интенсивности падающего света, что приводит к нарушению принципа суперпозиции и возникновению новых явлений, таких как генерация гармоник и смешение частот. Эта зависимость описывается нелинейной связью между вектором поляризации среды и напряженностью электрического поля световой волны.

2. (Вопрос на изображении представлен не полностью)

Часть вопроса: "Какое условие необходимо для возникновения вынужденного излучения?"

Вынужденное (или индуцированное) излучение — это процесс испускания фотона возбужденным атомом (или другой квантовой системой) под воздействием другого, "вынуждающего" фотона. Для возникновения этого процесса необходимо, во-первых, наличие атома в возбужденном состоянии, то есть на более высоком энергетическом уровне $E_2$. Во-вторых, необходимо наличие внешнего (вынуждающего) фотона, энергия которого $h\nu$ в точности равна разности энергий между возбужденным и более низким уровнями атома: $h\nu = E_2 - E_1$.

При выполнении этих условий пролетающий фотон не поглощается, а стимулирует переход атома с уровня $E_2$ на уровень $E_1$ с испусканием второго фотона. Важно, что испущенный фотон является точной копией вынуждающего: он имеет ту же энергию (частоту), то же направление распространения, ту же поляризацию и ту же фазу.

Однако для того, чтобы процесс вынужденного излучения преобладал над процессом поглощения (когда фотон поглощается атомом на нижнем уровне, и тот переходит в возбужденное состояние), необходимо еще одно, ключевое условие — инверсия населенностей. Это состояние среды, при котором число атомов в возбужденном состоянии ($N_2$) превышает число атомов на нижнем энергетическом уровне ($N_1$):

$N_2 > N_1$

В состоянии термодинамического равновесия всегда $N_1 > N_2$, поэтому для создания инверсии населенностей необходим внешний источник энергии — процесс, называемый "накачкой" (оптической, электрической и т.д.). Именно создание инверсной населенности является основным принципом работы лазеров и оптических усилителей.

Ответ: Для возникновения акта вынужденного излучения необходимо, чтобы атом находился в возбужденном состоянии, а энергия падающего фотона была равна разности энергий между возбужденным и более низким уровнями атома. Для того чтобы вынужденное излучение преобладало в среде и приводило к усилению света, необходимо создать состояние инверсии населенностей, при котором число частиц на верхнем энергетическом уровне больше, чем на нижнем.