Номер 4, страница 203 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

4. Объясните процесс возбуждения индуцированного излучения.

4. Объясните процесс возбуждения индуцированного излучения.

Индуцированное (или вынужденное) излучение — это процесс испускания фотона возбужденным атомом под действием другого, внешнего фотона. Этот процесс лежит в основе работы лазеров. Рассмотрим его подробнее.

1. Энергетические уровни атома. Атомы могут находиться в различных энергетических состояниях (уровнях). Основное состояние — это состояние с наименьшей энергией $E_1$. Возбужденное состояние — это любое состояние с большей энергией $E_2$. Атом может перейти из основного состояния в возбужденное, поглотив фотон, энергия которого в точности равна разности энергий этих уровней: $h\nu = E_2 - E_1$, где $h$ — постоянная Планка, а $\nu$ — частота фотона.

2. Спонтанное излучение. Атом, находящийся в возбужденном состоянии $E_2$, нестабилен. Спустя некоторое время (называемое временем жизни возбужденного состояния), он самопроизвольно (спонтанно) вернется в основное состояние $E_1$, испустив при этом фотон с энергией $h\nu = E_2 - E_1$. Направление, поляризация и фаза такого фотона случайны.

3. Индуцированное излучение. Если на возбужденный атом (находящийся на уровне $E_2$) падает внешний фотон, энергия которого также равна $h\nu = E_2 - E_1$, то этот фотон может "вынудить" атом перейти на нижний уровень $E_1$ с испусканием нового фотона. Этот процесс и называется индуцированным излучением. Ключевой особенностью является то, что испущенный фотон является точной копией фотона, вызвавшего излучение. Он имеет ту же энергию (частоту), то же направление распространения, ту же поляризацию и ту же фазу.

4. Усиление света. В результате одного акта индуцированного излучения из одного падающего фотона получается два идентичных. Если эти два фотона встретят на своем пути еще два возбужденных атома, получится уже четыре фотона, и так далее. Возникает лавинообразный процесс, приводящий к усилению света.

5. Возбуждение (накачка) и инверсия населенностей. Чтобы процесс усиления преобладал над поглощением, необходимо, чтобы в среде было больше атомов в возбужденном состоянии ($N_2$), чем в основном ($N_1$). Такое состояние называется инверсией населенностей ($N_2 > N_1$). В нормальных условиях (при термодинамическом равновесии) большинство атомов находится в основном состоянии. Для создания инверсии населенностей среду необходимо "накачать" энергией извне. Этот процесс возбуждения атомов и называется накачкой. Методы накачки могут быть разными: оптическая (свет от мощной лампы или другого лазера), электрическая (газовый разряд), химическая (энергия химических реакций) и др.

Таким образом, процесс возбуждения индуцированного излучения — это создание в специальной среде (активной среде) состояния инверсии населенностей путем внешней накачки энергией, что делает среду способной усиливать свет за счет лавинообразного процесса вынужденного испускания когерентных фотонов.

Ответ: Процесс возбуждения индуцированного излучения заключается в создании в среде состояния инверсии населенностей (когда число атомов на верхнем энергетическом уровне превышает число атомов на нижнем) с помощью внешнего источника энергии (накачки). В таком состоянии среда способна усиливать проходящий через нее свет, так как падающий фотон с определенной энергией вызывает лавинообразное испускание возбужденными атомами идентичных ему фотонов.

5. Что такое активная среда?

Активная среда (также называемая усиливающей или лазерной средой) — это вещество, в котором можно создать условия для усиления света за счет эффекта вынужденного (индуцированного) излучения. Это ключевой компонент любого лазера или оптического усилителя.

Основное свойство, отличающее активную среду от обычного вещества, — это способность поддерживать состояние инверсии населенностей.

В состоянии термодинамического равновесия распределение атомов по энергетическим уровням подчиняется статистике Больцмана. Число атомов $N_2$ на верхнем энергетическом уровне $E_2$ всегда значительно меньше числа атомов $N_1$ на нижнем уровне $E_1$: $ \frac{N_2}{N_1} = e^{-\frac{E_2 - E_1}{kT}} < 1 $ где $k$ — постоянная Больцмана, $T$ — абсолютная температура. В таком состоянии вещество будет в основном поглощать свет, а не усиливать его.

Чтобы среда стала "активной", ее необходимо перевести в неравновесное состояние, в котором число возбужденных атомов превышает число невозбужденных, то есть создать инверсию населенностей ($N_2 > N_1$). Это достигается с помощью процесса накачки — интенсивного подвода энергии извне. Когда инверсия населенностей создана, среда становится способной усиливать свет соответствующей частоты.

Проходя через такую среду, фотон с энергией, равной разности уровней, инициирует индуцированное излучение, и интенсивность света экспоненциально возрастает по мере его распространения в активной среде.

Активные среды могут быть в разных агрегатных состояниях:

• Твердые тела: кристаллы (например, рубин с примесью хрома, алюмо-иттриевый гранат с примесью неодима - Nd:YAG), стекла.
• Жидкости: растворы органических красителей.
• Газы: смеси газов (гелий-неоновая смесь, смесь CO₂-N₂-He), пары металлов.
• Полупроводники: p-n переходы в полупроводниковых диодах.

Ответ: Активная среда — это вещество (в твердом, жидком, газообразном или полупроводниковом состоянии), которое с помощью внешней энергетической накачки приведено в неравновесное состояние с инверсией населенностей энергетических уровней. В таком состоянии среда способна усиливать проходящий через нее свет за счет процесса индуцированного излучения.