Номер 5, страница 85, часть 2 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

*5. Объясните принцип действия рубинового лазера.

*5. Объясните принцип действия рубинового лазера.

Решение

Рубиновый лазер, созданный Теодором Майманом в 1960 году, был первым успешно продемонстрированным лазером. Его работа основана на следующих принципах:

1. Активная среда. Активной средой служит кристалл синтетического рубина. Рубин — это оксид алюминия ($Al_2O_3$), в кристаллическую решетку которого встроены ионы хрома ($Cr^{3+}$) в концентрации около 0.05%. Именно ионы хрома являются рабочими частицами, ответственными за генерацию лазерного излучения. Активная среда обычно имеет форму цилиндрического стержня.

2. Трехуровневая схема накачки. Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме энергетических состояний ионов хрома:

• $E_1$ — основной энергетический уровень.
• $E_3$ — широкая полоса поглощения (группа уровней).
• $E_2$ — метастабильный уровень, обладающий большим временем жизни (около 3 мс) по сравнению с другими возбужденными состояниями.

3. Оптическая накачка. Для возбуждения ионов хрома используется мощная импульсная лампа-вспышка, как правило, ксеноновая. Лампа располагается вокруг рубинового стержня. Мощная вспышка света (оптическая накачка) заставляет ионы хрома поглощать фотоны и переходить с основного уровня $E_1$ на уровни в широкой полосе $E_3$.

4. Создание инверсии населенностей. С верхних уровней $E_3$ ионы хрома очень быстро (за время ~100 нс) и безызлучательно (отдавая энергию кристаллической решетке в виде тепла) переходят на метастабильный уровень $E_2$. Поскольку время жизни на уровне $E_2$ велико, на нем происходит накопление возбужденных ионов. Когда число ионов на метастабильном уровне $E_2$ становится больше, чем на основном уровне $E_1$, в системе создается состояние инверсии населенностей.

5. Вынужденное излучение и усиление. Процесс генерации начинается со спонтанного излучения фотона одним из ионов при его переходе с уровня $E_2$ на $E_1$. Если этот фотон движется вдоль оси стержня, он может столкнуться с другим ионом, находящимся в том же возбужденном состоянии $E_2$, и вызвать его вынужденный (индуцированный) переход на уровень $E_1$. При этом испускается второй фотон, который является точной копией первого (имеет ту же частоту, фазу, поляризацию и направление). Этот процесс вызывает лавинообразное нарастание числа когерентных фотонов.

6. Оптический резонатор. Для поддержания и усиления лавины фотонов рубиновый стержень помещают в оптический резонатор. Торцы стержня полируются и покрываются зеркальными слоями. Один торец делается полностью отражающим, а второй — частично отражающим (полупрозрачным). Фотоны, движущиеся строго параллельно оси резонатора, многократно отражаются от зеркал, проходя через активную среду и вызывая всё новые акты вынужденного излучения, что приводит к мощному усилению света.

7. Выход лазерного луча. Когда усиление света в среде превышает потери на зеркалах, через полупрозрачное зеркало выходит мощный, когерентный, монохроматичный и узконаправленный пучок света. Для рубинового лазера длина волны излучения составляет 694,3 нм (красный цвет). Так как для инверсии населенностей нужно перевести более половины ионов с основного уровня, что требует большой энергии, рубиновый лазер работает в импульсном режиме.

Ответ: Принцип действия рубинового лазера основан на трехуровневой схеме. Ионы хрома в кристалле рубина возбуждаются светом от импульсной лампы (оптическая накачка) на высокий энергетический уровень, откуда быстро переходят на метастабильный уровень, создавая инверсию населенностей относительно основного уровня. Спонтанный фотон инициирует лавину вынужденных переходов, свет усиливается в оптическом резонаторе (стержень с зеркальными торцами) и выходит в виде короткого мощного импульса красного света (694,3 нм).