Номер 6, страница 85, часть 2 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

*6. Расскажите о работе гелий-неонового лазера.

*6. Расскажите о работе гелий-неонового лазера.

Гелий-неоновый лазер (He-Ne лазер) — это один из самых распространенных типов газовых лазеров, работающий в непрерывном режиме. Его работа основана на принципах квантовой механики и оптики, в частности, на явлении вынужденного излучения в газовой смеси гелия и неона.

Устройство лазера:

1. Активная среда: Газовая смесь гелия (He) и неона (Ne) в соотношении примерно от 5:1 до 20:1, находящаяся под низким давлением в герметичной стеклянной трубке. Неон является рабочим газом, в котором происходит генерация лазерного излучения, а гелий играет вспомогательную роль для эффективной накачки.

2. Система накачки: Высоковольтный источник постоянного тока, который создает электрический разряд (тлеющий разряд) в газовой смеси. Электроны, ускоренные в электрическом поле, передают свою энергию атомам газа.

3. Оптический резонатор: Система из двух зеркал, расположенных на торцах газоразрядной трубки. Одно зеркало является полностью отражающим, а второе — частично прозрачным (полупрозрачным). Через него выходит лазерный луч.

Принцип работы (четырехуровневая схема):

1. Накачка и возбуждение гелия. В газоразрядной трубке создается электрический разряд. Быстрые электроны, движущиеся в разряде, сталкиваются с атомами гелия и переводят их из основного состояния в возбужденные метастабильные состояния ($2^1S$ и $2^3S$). Метастабильные уровни — это уровни, на которых атом может находиться относительно долгое время.

2. Передача энергии неону. Энергетические уровни метастабильных состояний гелия практически совпадают с некоторыми из верхних энергетических уровней неона ($5s$ и $4s$). При столкновении возбужденного атома гелия с атомом неона, находящимся в основном состоянии, происходит резонансная передача энергии. Атом гелия возвращается в основное состояние, а атом неона переходит в возбужденное состояние. Этот процесс является очень эффективным способом "накачать" энергией именно нужные уровни неона.

3. Создание инверсии населенностей. Благодаря эффективной передаче энергии от гелия к неону, количество атомов неона на верхних энергетических уровнях ($5s, 4s$) становится значительно больше, чем на некоторых нижележащих уровнях ($3p, 4p$). Такое состояние, когда на верхнем уровне атомов больше, чем на нижнем, называется инверсией населенностей. Это ключевое условие для генерации лазерного излучения.

4. Вынужденное излучение. Спонтанно испущенный фотон одним из возбужденных атомов неона, двигаясь вдоль оси резонатора, может встретить другой возбужденный атом неона. Взаимодействие с этим фотоном заставляет второй атом излучить точно такой же фотон (той же частоты, фазы, поляризации и направления). Этот процесс называется вынужденным излучением. Наиболее известный и распространенный переход в He-Ne лазере происходит с уровня $5s$ на уровень $3p$, что соответствует излучению света с длиной волны $632.8$ нм (красный цвет).

5. Усиление света в резонаторе. Оптический резонатор заставляет фотоны многократно проходить через активную среду, вызывая лавину актов вынужденного излучения. Световая волна многократно усиливается. Часть этой усиленной волны выходит через полупрозрачное зеркало в виде когерентного, монохроматического и узконаправленного лазерного луча.

6. Релаксация. Атомы неона, перешедшие на нижний лазерный уровень ($3p$), быстро переходят на еще более низкий метастабильный уровень $3s$ путем спонтанного излучения. С этого уровня они возвращаются в основное состояние в результате столкновений со стенками трубки. Быстрое опустошение нижнего рабочего уровня необходимо для поддержания инверсии населенностей.

Ответ: Гелий-неоновый лазер работает на основе электрического разряда в смеси газов гелия и неона, используя четырехуровневую схему накачки. Энергия передается от возбужденных атомов гелия к атомам неона, что создает инверсию населенностей и приводит к вынужденному излучению света, чаще всего на длине волны 632.8 нм.