Номер 4, страница 185 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 51. Лазер. Глава 6. Квантовая теория электромагнитного излучения и вещества - номер 4, страница 185.

4. Опишите принцип действия рубинового лазера. Охарактеризуйте основные особенности лазерного излучения.

Принцип действия рубинового лазера

Рубиновый лазер, созданный в 1960 году Теодором Майманом, является первым в мире лазером и относится к классу твердотельных лазеров. Его работа основана на принципе вынужденного (стимулированного) излучения в трехуровневой энергетической системе.

Основные компоненты рубинового лазера:

1. Активная среда: стержень из синтетического рубина — кристалла оксида алюминия ($Al_2O_3$), легированного небольшим количеством (около 0.05%) ионов хрома ($Cr^{3+}$). Именно ионы хрома являются активными центрами, в которых происходит генерация излучения.

2. Система накачки: мощная импульсная газовая лампа-вспышка (обычно ксеноновая), расположенная вокруг рубинового стержня. Она обеспечивает энергию для возбуждения ионов хрома. Этот процесс называется оптической накачкой.

3. Оптический резонатор: система из двух параллельных зеркал, расположенных на торцах рубинового стержня. Одно зеркало является полностью отражающим, а второе — полупрозрачным, через которое выходит лазерный луч.

Процесс генерации излучения происходит в несколько этапов:

1. Накачка и возбуждение. Мощная вспышка лампы облучает рубиновый стержень. Ионы хрома, находящиеся на основном энергетическом уровне $E_1$, поглощают фотоны (в основном в зеленой и синей части спектра) и переходят на широкий возбужденный энергетический уровень $E_3$.

2. Создание инверсии населенностей. С уровня $E_3$ ионы хрома очень быстро (за время порядка $10^{-8}$ с) безызлучательно (отдавая избыток энергии кристаллической решетке в виде тепла) переходят на более низкий, так называемый метастабильный уровень $E_2$. Время жизни ионов на этом уровне значительно больше (около $10^{-3}$ с). Благодаря этому долгому времени жизни на метастабильном уровне успевает накопиться большое количество ионов, превышающее их количество на основном уровне $E_1$. Такое состояние, когда число частиц на возбужденном уровне больше, чем на основном ($N_2 > N_1$), называется инверсией населенностей.

3. Вынужденное излучение и усиление. Инверсия населенностей делает среду активной, то есть способной усиливать свет. Процесс начинается со спонтанного излучения: некоторые ионы самопроизвольно переходят с уровня $E_2$ на основной уровень $E_1$, испуская фотон красного света с длиной волны 694,3 нм. Если такой фотон, двигаясь вдоль оси стержня, встречает на своем пути другой ион хрома, находящийся в возбужденном состоянии $E_2$, он стимулирует (вынуждает) этот ион перейти на уровень $E_1$. При этом испускается второй фотон, который является точной копией первого: он имеет ту же энергию, фазу, поляризацию и направление распространения. Этот процесс называется вынужденным излучением.

4. Генерация лазерного луча. Два когерентных фотона вызывают лавинообразный процесс вынужденного излучения. Оптический резонатор обеспечивает многократное прохождение света вдоль стержня, что приводит к значительному усилению. Зеркала отбирают только те фотоны, которые распространяются строго параллельно оси резонатора. Через полупрозрачное зеркало из резонатора выходит мощный, узконаправленный и когерентный пучок света — лазерный луч. Так как накачка происходит с помощью импульсной лампы, рубиновый лазер работает в импульсном режиме.

Ответ: Рубиновый лазер работает на основе трехуровневой схемы с использованием оптической накачки. Вспышка лампы переводит ионы хрома в активной среде (кристалле рубина) на высокий энергетический уровень, с которого они быстро переходят на метастабильный уровень. Это создает инверсию населенностей. Спонтанно испущенные фотоны вызывают лавину вынужденных (стимулированных) излучений когерентных фотонов, которые многократно усиливаются в оптическом резонаторе, формируя направленный импульсный лазерный луч красного цвета (длина волны 694,3 нм).

Основные особенности лазерного излучения

Лазерное излучение кардинально отличается от излучения обычных источников света (таких как лампы накаливания или Солнце) благодаря нескольким уникальным свойствам, которые обусловлены механизмом вынужденного излучения.

1. Монохроматичность. Лазерный свет имеет чрезвычайно узкий спектральный диапазон, то есть практически состоит из волн одной длины (одного цвета). Это связано с тем, что все вынужденные фотоны рождаются в результате одного и того же энергетического перехода в атомах активной среды (например, $E_2 \to E_1$ в рубиновом лазере). Степень монохроматичности лазера на много порядков выше, чем у любого другого источника света.

2. Когерентность. Это ключевое свойство лазерного излучения. Оно означает, что все электромагнитные волны в лазерном пучке согласованы по фазе. Различают временную и пространственную когерентность. Временная когерентность означает, что фаза колебаний в любой точке пучка остается постоянной или закономерно изменяется во времени (это свойство связано с монохроматичностью). Пространственная когерентность означает, что в один и тот же момент времени разность фаз колебаний в разных точках поперечного сечения пучка постоянна. Благодаря когерентности лазерное излучение способно к интерференции и голографии.

3. Высокая направленность (малая расходимость). Лазерное излучение распространяется в виде очень узкого пучка с минимальным углом расхождения. Например, луч лазера, направленный на Луну, образует на ее поверхности пятно диаметром всего в несколько километров. Эта особенность достигается за счет оптического резонатора, который многократно усиливает только те световые волны, которые распространяются строго вдоль его оптической оси.

4. Высокая интенсивность и яркость. Вследствие высокой направленности вся энергия лазерного излучения концентрируется в очень малом телесном угле и на малой площади. Это приводит к огромной плотности мощности (интенсивности). Даже лазеры небольшой мощности могут создавать интенсивность излучения, превышающую интенсивность солнечного света. При фокусировке лазерного луча линзой можно достичь колоссальных плотностей энергии, достаточных для резки и сварки металлов, проведения хирургических операций и т.д.

Ответ: Основными особенностями лазерного излучения являются: высокая степень монохроматичности (излучение практически одной длины волны), когерентность (согласованность по фазе всех волн в пучке), высокая направленность (распространение в виде узкого пучка с малой расходимостью) и очень высокая интенсивность (большая концентрация энергии на единицу площади).