Номер 7, страница 203 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

7. Объясните принцип работы трехуровневой системы генерации излучения.

Принцип работы трехуровневой системы генерации излучения, используемый в некоторых лазерах, основан на создании инверсии населенностей между двумя энергетическими уровнями активной среды с помощью третьего, вспомогательного уровня.

Рассмотрим три энергетических уровня атома в активной среде:

• $E_1$ — основной (нижний) уровень, на котором в невозбужденном состоянии находится большинство атомов.
• $E_2$ — метастабильный уровень, обладающий относительно большим временем жизни (атомы могут находиться на нем длительное время, не переходя на нижний уровень). Этот уровень является верхним рабочим уровнем лазера.
• $E_3$ — уровень накачки, который является короткоживущим возбужденным состоянием.

Процесс генерации излучения можно разбить на следующие этапы:

1. Накачка. С помощью внешнего источника энергии (например, света от мощной лампы-вспышки) атомы активной среды поглощают энергию и переходят с основного уровня $E_1$ на верхний уровень накачки $E_3$. Энергия кванта накачки должна соответствовать разности энергий: $h\nu_{накачки} = E_3 - E_1$.
2. Быстрая релаксация. Атомы, находящиеся на короткоживущем уровне $E_3$, очень быстро (за время порядка $10^{-8}$ с) самопроизвольно переходят на метастабильный уровень $E_2$. Этот переход, как правило, является безызлучательным, то есть избыток энергии передается кристаллической решетке в виде тепла, а не испускается в виде фотона.
3. Создание инверсии населенностей. Так как время жизни атома на метастабильном уровне $E_2$ (порядка $10^{-3}$ с) значительно больше, чем на уровне $E_3$, на уровне $E_2$ происходит накопление атомов. При достаточно интенсивной накачке количество атомов на метастабильном уровне ($N_2$) превышает количество атомов на основном уровне ($N_1$). Такое состояние, при котором $N_2 > N_1$, называется инверсией населенностей.
4. Вынужденное излучение. Когда инверсия населенностей достигнута, среда становится усиливающей для излучения с частотой $\nu_{изл} = (E_2 - E_1)/h$. Фотон с такой энергией, пролетая мимо возбужденного атома (находящегося на уровне $E_2$), стимулирует (вынуждает) его перейти на основной уровень $E_1$, испустив при этом второй фотон, который является точной копией первого (имеет ту же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения).
5. Генерация лазерного излучения. Этот процесс приобретает лавинообразный характер: каждый новый фотон вызывает появление следующего, что приводит к усилению света. Помещая активную среду в оптический резонатор (например, между двумя зеркалами), удается многократно направить световой поток через нее, что обеспечивает мощную генерацию когерентного лазерного излучения.

Основным недостатком трехуровневой схемы является то, что лазерный переход заканчивается на основном уровне $E_1$, который изначально сильно заселен. Для создания инверсии необходимо "откачать" с основного уровня более половины всех атомов, что требует очень высокой мощности накачки и снижает КПД устройства. Классическим примером такого лазера является рубиновый лазер.

Ответ: Принцип работы трехуровневой системы заключается в накачке атомов с основного уровня $E_1$ на короткоживущий уровень $E_3$, с которого они быстро релаксируют на долгоживущий (метастабильный) уровень $E_2$. Это приводит к накоплению атомов на уровне $E_2$ и созданию инверсии населенностей ($N_2 > N_1$) относительно основного уровня. В результате среда начинает усиливать свет за счет вынужденного излучения при переходах $E_2 \rightarrow E_1$, что и лежит в основе генерации лазерного луча.