Номер 4, страница 140 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

4. Как работает лазер с тремя энергетическими уровнями?

4. Как работает лазер с тремя энергетическими уровнями?

Работа лазера с тремя энергетическими уровнями основана на создании инверсной населенности между двумя из этих уровней в активной среде. Рассмотрим три энергетических уровня атомов активной среды, обозначив их энергии как $E_1$, $E_2$ и $E_3$, где $E_1 < E_2 < E_3$.

Процесс генерации лазерного излучения происходит в несколько этапов:

1. Накачка. С помощью внешнего источника энергии (например, мощной лампы-вспышки) атомы активной среды переводятся из основного состояния с энергией $E_1$ в возбужденное состояние с высокой энергией $E_3$. Этот процесс называется накачкой. Для этого атом должен поглотить фотон с энергией $\Delta E = E_3 - E_1$. Уровень $E_3$ называют верхним уровнем накачки.

2. Быстрая релаксация. Уровень $E_3$ специально выбирается короткоживущим. Атомы, находящиеся на этом уровне, очень быстро (за время порядка $10^{-9}$ с) переходят на более низкий энергетический уровень $E_2$. Этот переход в большинстве случаев является безызлучательным, то есть избыток энергии передается кристаллической решетке вещества в виде тепла, а не испускается в виде фотона.

3. Создание инверсной населенности. Уровень $E_2$ является метастабильным, что означает, что время жизни атома в этом состоянии относительно велико (до $10^{-3}$ с). Из-за быстрой накачки на уровень $E_3$ и быстрой релаксации на уровень $E_2$, а также медленного распада с уровня $E_2$, на этом метастабильном уровне начинают накапливаться атомы. В определенный момент число атомов $N_2$ на уровне $E_2$ превышает число атомов $N_1$ на основном уровне $E_1$. Такое состояние системы называется инверсной населенностью: $N_2 > N_1$. Это ключевое условие для усиления света.

4. Вынужденное (стимулированное) излучение. Когда инверсия населенности достигнута, случайный фотон с энергией, равной разности энергий уровней $E_2$ и $E_1$ ($h\nu = E_2 - E_1$), пролетая мимо возбужденного атома на уровне $E_2$, может вызвать его переход на основной уровень $E_1$. При этом атом испускает второй фотон, который является точной копией первого (имеет ту же энергию, фазу, поляризацию и направление распространения).

5. Усиление света и генерация. Два когерентных фотона, двигаясь дальше, вызывают вынужденное излучение у других возбужденных атомов, что приводит к лавинообразному нарастанию числа одинаковых фотонов. Для поддержания и усиления этого процесса активную среду помещают в оптический резонатор (например, между двумя зеркалами). Фотоны многократно отражаются от зеркал и проходят через активную среду, вызывая все новые и новые акты вынужденного излучения. Одно из зеркал делают полупрозрачным, и через него часть светового потока выходит наружу в виде когерентного, монохроматического и направленного лазерного луча.

Недостатком трехуровневой схемы является то, что лазерный переход заканчивается на основном уровне $E_1$, который в нормальных условиях плотно заселен. Чтобы создать инверсию населенности, необходимо перевести более половины всех атомов из основного состояния в возбужденное, что требует очень большой энергии накачки. Поэтому трехуровневые лазеры (например, рубиновый лазер) обладают невысоким КПД.

Ответ: Лазер с тремя энергетическими уровнями работает за счет накачки атомов из основного состояния $E_1$ на верхний уровень $E_3$, с которого они быстро переходят на метастабильный уровень $E_2$. Накопление атомов на уровне $E_2$ создает инверсную населенность ($N_2 > N_1$). Вынужденное излучение при переходе $E_2 \rightarrow E_1$ приводит к усилению света, которое многократно возрастает в оптическом резонаторе, формируя лазерный луч.

5. Где применяются лазеры? Какой способ подпитки атомов?

Вопрос состоит из двух частей: области применения лазеров и способы их накачки.

Где применяются лазеры?

Лазеры нашли широкое применение во многих сферах человеческой деятельности благодаря уникальным свойствам их излучения (монохроматичность, когерентность, высокая направленность и яркость).
Основные области применения:
1. Промышленность: лазерная резка, сварка, сверление отверстий, гравировка и маркировка материалов; поверхностная закалка и наплавка; 3D-печать (селективное лазерное спекание и плавление).
2. Медицина: хирургия (в офтальмологии для коррекции зрения — LASIK, в дерматологии, стоматологии), фотодинамическая терапия для лечения рака, косметология (удаление татуировок, эпиляция), диагностика.
3. Научные исследования: спектроскопия высокого разрешения, охлаждение и пленение атомов, интерферометрия (например, в детекторах гравитационных волн LIGO), создание сверхкоротких импульсов, исследования в области термоядерного синтеза.
4. Информационные технологии и связь: волоконно-оптические линии связи, считывание и запись информации на оптических дисках (CD, DVD, Blu-ray), лазерные принтеры, сканеры штрих-кодов.
5. Военное дело и безопасность: лазерные целеуказатели, дальномеры, системы наведения и противоракетной обороны, лидары для разведки местности.
6. Метрология и навигация: высокоточные измерения расстояний, скоростей и углов; лазерные гироскопы; создание карт местности с помощью лидаров (LIDAR).
7. Развлечения и искусство: лазерные шоу, создание голограмм, лазерные указки, лазерная арфа.

Какие существуют способы накачки (подпитки) атомов?

Накачка — это процесс передачи энергии активной среде лазера для создания в ней инверсной населенности. Существует несколько основных способов накачки:

1. Оптическая накачка. Энергия передается за счет поглощения света от внешнего источника. Используется преимущественно для твердотельных и жидкостных лазеров. Источниками света могут быть:
- Импульсные газоразрядные лампы (ксеноновые, криптоновые).
- Лампы непрерывного горения (дуговые).
- Излучение другого лазера (чаще всего полупроводникового). Это один из самых эффективных методов.
- Солнечный свет (в экспериментальных установках).

2. Электрическая накачка. Инверсия населенности создается прохождением электрического тока через активную среду. Этот метод является основным для газовых и полупроводниковых лазеров.
- В газовых лазерах (He-Ne, CO₂, эксимерных) используется электрический разряд (тлеющий, дуговой, высокочастотный), в котором электроны, ускоренные полем, сталкиваются с атомами или молекулами газа и возбуждают их.
- В полупроводниковых (диодных) лазерах инверсия населенности возникает в области p-n-перехода при пропускании прямого тока, который инжектирует электроны и дырки в активную область, где они рекомбинируют с излучением фотонов.

3. Химическая накачка. Источником энергии служат экзотермические химические реакции, в результате которых образуются молекулы в возбужденном состоянии. Пример — химический кислородно-йодный лазер (COIL).

4. Газодинамическая накачка. Инверсия населенности достигается за счет резкого адиабатического расширения и охлаждения предварительно нагретого газа, движущегося со сверхзвуковой скоростью через сопло. Используется в мощных газовых лазерах (например, на CO₂).

Ответ: Лазеры применяются в промышленности, медицине, науке, IT, военной сфере и индустрии развлечений для выполнения таких задач, как резка, сварка, передача данных, хирургические операции и точные измерения. Для работы лазера необходима накачка — процесс создания инверсной населенности. Основные способы накачки: оптическая (светом от ламп или других лазеров), электрическая (электрическим током или разрядом), химическая (энергией химических реакций) и газодинамическая (резким расширением газа).