Номер 2, страница 215 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

2. Что называют лазером? Поясните метод усиления света в лазерах.

Что называют лазером?

Лазер (или оптический квантовый генератор) — это устройство, которое генерирует когерентное, монохроматическое и узконаправленное электромагнитное излучение в оптическом диапазоне. Само слово «лазер» является акронимом английского выражения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что дословно переводится как «усиление света посредством вынужденного излучения». Это название точно описывает физический принцип, лежащий в основе работы устройства.

Поясните метод усиления света в лазерах.

Метод усиления света в лазерах основан на явлении вынужденного (или индуцированного) излучения, теоретически предсказанном Альбертом Эйнштейном. Чтобы понять этот процесс, необходимо рассмотреть три основных вида взаимодействия света с атомами вещества, которые могут находиться на разных энергетических уровнях (например, на основном $E_1$ и возбужденном $E_2$).

1. Поглощение. Атом, находящийся на нижнем энергетическом уровне $E_1$, поглощает фотон с энергией, равной разности уровней $h\nu = E_2 - E_1$, и переходит в возбужденное состояние на уровень $E_2$.

2. Спонтанное излучение. Возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) вернуться на основной уровень $E_1$, из-за чего испускается фотон с энергией $h\nu$. Направление, фаза и поляризация этого фотона случайны. Так работают обычные источники света, например, лампы накаливания.

3. Вынужденное излучение. Это ключевой процесс для работы лазера. Если мимо возбужденного атома (на уровне $E_2$) пролетает фотон с энергией, в точности равной $E_2 - E_1$, то этот фотон стимулирует (вынуждает) атом перейти на нижний уровень $E_1$. При этом атом испускает второй фотон, который является точной копией первого (стимулирующего) фотона: он имеет ту же энергию (длину волны), то же направление распространения, ту же фазу и поляризацию.

Таким образом, один фотон, провзаимодействовав с возбужденным атомом, порождает два абсолютно идентичных фотона. Эти два фотона могут, в свою очередь, вызвать излучение еще двух, создавая уже четыре фотона, и так далее. Возникает лавинообразный процесс рождения когерентных фотонов, что и представляет собой усиление света.

Чтобы процесс усиления (вынужденного излучения) преобладал над процессом поглощения, необходимо создать в активной среде особое состояние, называемое инверсией населенностей. Это состояние, при котором число атомов в возбужденном состоянии ($N_2$) превышает число атомов в основном состоянии ($N_1$), то есть $N_2 > N_1$. Такое состояние не является равновесным и создается искусственно с помощью процесса накачки — интенсивного подвода энергии к активной среде (например, с помощью мощной лампы, электрического разряда или излучения другого лазера).

Для максимальной эффективности усиления активную среду помещают в оптический резонатор. В простейшем случае это система из двух параллельных зеркал, расположенных на торцах активной среды. Свет, распространяясь вдоль оси системы, многократно отражается от зеркал и снова проходит через активную среду, с каждым проходом усиливаясь за счет новых актов вынужденного излучения. Одно из зеркал делается частично прозрачным, и через него часть усиленного света выходит наружу в виде узконаправленного лазерного луча.

Ответ: Лазер – это источник света, работающий на принципе усиления света посредством вынужденного излучения. Усиление происходит в активной среде, где с помощью внешней накачки создана инверсия населенностей (возбужденных атомов больше, чем невозбужденных). Пролетающий фотон с определенной энергией стимулирует возбужденный атом испустить точно такой же фотон (с той же энергией, направлением и фазой). Этот процесс, многократно повторяемый в оптическом резонаторе, приводит к лавинообразному рождению идентичных фотонов и формированию мощного, когерентного и узконаправленного луча света.