Номер 5, страница 203 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

5. Что такое активная среда?

5. Что такое активная среда?

Активная среда (или усиливающая среда) — это вещество, которое способно усиливать проходящее через него электромагнитное излучение (чаще всего свет) благодаря процессу вынужденного (стимулированного) излучения. Это ключевой компонент любого лазера или оптического усилителя.

Основное свойство, отличающее активную среду от обычной, — это наличие инверсии населённостей. В состоянии термодинамического равновесия большинство атомов или молекул вещества находятся на самых низких энергетических уровнях. Чтобы среда стала активной, необходимо перевести значительную часть её частиц на более высокие энергетические уровни. Когда число частиц на верхнем (возбуждённом) уровне $N_2$ становится больше, чем число частиц на нижнем уровне $N_1$, то есть выполняется условие $N_2 > N_1$, говорят о наличии инверсии населённостей.

В такой среде фотон, энергия которого равна разности энергий между этими двумя уровнями ($E_2 - E_1$), при взаимодействии с возбуждённой частицей вызовет её переход на нижний уровень. В результате этого процесса, называемого вынужденным излучением, испускается новый фотон, который является точной копией исходного: он имеет ту же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения. Таким образом, один фотон на входе порождает два идентичных фотона на выходе, что приводит к экспоненциальному усилению светового пучка при его прохождении через среду.

В качестве активных сред могут выступать:

• Твердые тела: кристаллы (например, рубин, алюмо-иттриевый гранат с примесью неодима Nd:YAG) или стёкла с примесями ионов редкоземельных элементов.
• Газы и их смеси: гелий-неоновая смесь, углекислый газ, пары металлов.
• Жидкости: растворы органических красителей.
• Полупроводники: p-n-переходы в полупроводниковых диодах.

Ответ: Активная среда — это вещество, в котором с помощью внешней энергии создано неравновесное состояние с инверсией населённостей (число частиц на возбуждённом энергетическом уровне превышает число частиц на более низком уровне), благодаря чему среда способна усиливать свет за счёт вынужденного излучения.

6. Какой процесс называется накачкой?

Накачка — это процесс целенаправленной передачи энергии активной среде лазера для создания и поддержания в ней инверсии населённостей. Поскольку инверсия населённостей является термодинамически неравновесным состоянием, частицы стремятся вернуться в основное состояние, и без постоянного подвода энергии инверсия быстро исчезнет. Накачка как раз и обеспечивает этот постоянный приток энергии, который "забрасывает" частицы на верхние энергетические уровни, противодействуя процессам релаксации.

Существует несколько основных способов (типов) накачки, выбор которых зависит от типа активной среды:

• Оптическая накачка: Активная среда возбуждается светом от внешнего мощного источника. В качестве таких источников могут использоваться импульсные газоразрядные лампы-вспышки (для твердотельных лазеров, например, рубинового) или излучение других лазеров (например, диодные лазеры часто применяются для накачки волоконных и твердотельных лазеров из-за их высокой эффективности).
• Электрическая накачка: Инверсия населённостей создаётся за счёт энергии электрического тока. Наиболее яркий пример — газовые лазеры, где через активную среду (газ) пропускается электрический разряд. Ускоренные в электрическом поле электроны сталкиваются с атомами газа, возбуждая их. Этот же тип накачки используется в полупроводниковых (диодных) лазерах, где инжекция носителей заряда через p-n-переход приводит к созданию инверсии населённостей.
• Химическая накачка: Энергия для возбуждения частиц выделяется в ходе экзотермических химических реакций, протекающих непосредственно в рабочей области лазера. Продукты реакции образуются сразу в возбуждённом состоянии.
• Газодинамическая накачка: Инверсия населённостей достигается за счёт резкого охлаждения предварительно нагретой газовой смеси при её сверхзвуковом расширении через сопло.

Ответ: Накачка — это процесс сообщения энергии активной среде лазера от внешнего источника для создания и поддержания в ней инверсии населённостей, необходимой для усиления света и генерации лазерного излучения.