Номер 1, страница 150 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

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

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

Лазер (акроним от англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — «усиление света посредством вынужденного излучения») — это устройство, которое преобразует энергию (световую, электрическую, химическую и др.) в когерентное, монохроматическое, поляризованное и узконаправленное излучение. По сути, лазер является квантовым генератором света.

Метод усиления света в лазерах основан на явлении вынужденного (индуцированного) излучения. Процесс усиления включает несколько ключевых этапов.

Во-первых, необходимо создать в активной (рабочей) среде лазера особое состояние, называемое инверсией населенностей. В обычном веществе большинство атомов находятся на нижнем энергетическом уровне (основном состоянии) $E_1$. Инверсия населенностей — это состояние, когда число атомов на некотором верхнем, возбужденном уровне $E_2$ становится больше, чем на нижнем уровне $E_1$. Такое состояние достигается за счет процесса накачки — интенсивного подвода энергии к активной среде (например, светом от мощной лампы или электрическим разрядом).

Во-вторых, когда инверсия населенностей создана, начинается процесс усиления. Случайно испущенный (спонтанный) фотон или фотон, пришедший извне, пролетая мимо возбужденного атома, может заставить его перейти на нижний энергетический уровень. При этом возбужденный атом излучает новый фотон, который является точной копией первого (стимулирующего) фотона. Он имеет ту же энергию (частоту), ту же фазу, то же направление распространения и ту же поляризацию. Этот процесс называется вынужденным излучением. В результате из одного фотона получается два, затем из двух — четыре, и так далее. Возникает лавина одинаковых, когерентных фотонов.

В-третьих, для поддержания и усиления этой лавины активную среду помещают в оптический резонатор — как правило, это система из двух параллельных зеркал, расположенных на торцах активной среды. Одно зеркало делается почти на 100% отражающим, а другое — частично прозрачным. Фотоны, движущиеся вдоль оси резонатора, многократно отражаются от зеркал и проходят через активную среду, стимулируя всё новые и новые акты вынужденного излучения. Световая волна многократно усиливается. Часть этого усиленного света проходит сквозь полупрозрачное зеркало, формируя выходной лазерный луч.

Ответ: Лазер — это квантовый генератор, который производит когерентный, монохроматический и узконаправленный пучок света. Усиление света в нем основано на явлении вынужденного излучения. С помощью внешней энергии (накачки) в активной среде создается инверсия населенностей — состояние, при котором возбужденных атомов больше, чем атомов в основном состоянии. Фотоны в такой среде, проходя мимо возбужденных атомов, стимулируют их к излучению абсолютно идентичных фотонов. Этот процесс многократно повторяется и усиливается в оптическом резонаторе (системе зеркал), что приводит к генерации мощного когерентного светового пучка.