Ответьте на вопросы, страница 145 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему лазерный пучок света обладает мощностью, значительно превышающей мощность других источников света?

2. Используя рисунки 141 а, б поясните, почему лазерный луч представляет собой пучок когерентного света, в котором частота, фаза и направление движения у всех фотонов одинаковы?

Рис. 141. а) Перенаселенность метастабильного уровня; б) Индуцированное излучение

1. Лазерный луч обладает очень высокой мощностью и, что еще важнее, огромной плотностью мощности (интенсивностью) по нескольким причинам, которые связаны с уникальными свойствами лазерного излучения:

а) Направленность (коллимированность). В отличие от обычных источников, таких как лампочка, которые излучают свет во все стороны, лазер генерирует очень узкий, почти не расходящийся пучок света. Вся энергия излучения концентрируется в малом телесном угле. Это приводит к чрезвычайно высокой плотности мощности (интенсивности) $\text{I}$, которая определяется как мощность $\text{P}$, приходящаяся на единицу площади $\text{S}$: $I = P/S$. Поскольку площадь поперечного сечения лазерного луча очень мала, интенсивность оказывается огромной даже при умеренной общей мощности.

б) Монохроматичность. Лазерное излучение имеет очень узкий спектр, то есть все фотоны имеют практически одинаковую частоту (и, следовательно, энергию). Вся мощность источника сосредоточена в этой узкой спектральной полосе. У тепловых источников света энергия распределена по широкому диапазону частот, поэтому мощность на какой-либо одной частоте мала.

в) Когерентность. Все фотоны в лазерном луче когерентны, то есть их электромагнитные колебания происходят согласованно во времени и пространстве (находятся в одной фазе). При сложении когерентных волн их амплитуды складываются. Поскольку интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды, результирующая интенсивность пучка из $\text{N}$ когерентных фотонов пропорциональна $(N \cdot A)^2 = N^2 A^2$, где $\text{A}$ — амплитуда одной волны. У некогерентных источников, где фазы случайны, складываются интенсивности, и суммарная интенсивность пропорциональна $N \cdot A^2$. Усиление в $\text{N}$ раз является колоссальным, учитывая огромное число фотонов в луче.

Сочетание этих трех факторов и позволяет лазерному пучку достигать мощности и интенсивности, на много порядков превосходящих показатели традиционных источников света.

Ответ: Высокая мощность лазерного луча обусловлена его уникальными свойствами: высокой направленностью (вся энергия сконцентрирована в узком пучке), монохроматичностью (энергия не размазана по широкому спектру) и когерентностью (согласованное сложение волн, приводящее к квадратичному росту интенсивности с числом фотонов). Это позволяет сконцентрировать огромную энергию в малом объеме и в узком диапазоне частот.

2. Лазерный луч является когерентным благодаря основному физическому процессу, на котором основана его работа — индуцированному (вынужденному) излучению, которое происходит в активной среде с инверсной населенностью уровней.

На рисунке 141 а) показано необходимое для генерации лазерного излучения состояние активной среды, называемое инверсной населенностью. В этом состоянии число атомов, находящихся на возбужденном метастабильном энергетическом уровне $E_2$, превышает число атомов на более низком уровне $E_1$. Такое состояние создается с помощью внешней "накачки" энергии.

На рисунке 141 б) изображен сам процесс индуцированного излучения. Когда случайный или специально направленный фотон с энергией, в точности равной разности энергий уровней $E_{фотона} = E_2 - E_1$, пролетает мимо возбужденного атома (находящегося на уровне $E_2$), он стимулирует этот атом перейти на нижний уровень $E_1$. При этом переходе атом излучает новый фотон.

Ключевым моментом является то, что излучённый фотон является точной копией фотона, вызвавшего излучение. Он имеет:

• ту же частоту (и энергию $E_2 - E_1$),
• ту же фазу колебаний,
• то же направление движения,
• ту же поляризацию.

Поскольку в среде создана инверсная населенность (рис. 141 а), то есть много возбужденных атомов, этот процесс приобретает лавинообразный характер. Один фотон порождает два, два — четыре, и так далее. Все вновь рожденные фотоны являются точными "клонами" друг друга. В результате возникает мощный поток полностью идентичных и синхронизированных фотонов.

Ответ: Лазерный луч когерентен, потому что он создается в процессе индуцированного излучения (рис. 141 б). В этом процессе каждый новый фотон, испускаемый возбужденным атомом в среде с инверсной населенностью (рис. 141 а), является точной копией фотона, который стимулировал его излучение. В результате все фотоны в луче имеют одинаковую частоту, фазу и направление движения, что и означает когерентность света.