Номер 2, страница 205 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

2. В чем заключается роль метастабильных состояний в генерации лазерного излучения?

Роль метастабильных состояний в генерации лазерного излучения является ключевой, так как именно они позволяют создать необходимое для усиления света условие — инверсию населенностей.

Принцип работы лазера основан на явлении вынужденного (индуцированного) излучения. Оно возникает, когда фотон с энергией, равной разности энергий двух уровней ($h\nu = E_{2} - E_{1}$), взаимодействует с атомом, находящимся в возбужденном состоянии на верхнем уровне $E_2$. Это взаимодействие стимулирует переход атома на нижний уровень $E_1$ с испусканием второго фотона, который является точной копией первого (имеет ту же энергию, направление, фазу и поляризацию).

Чтобы процесс вынужденного излучения преобладал над поглощением (когда атом с уровня $E_1$ поглощает фотон и переходит на уровень $E_2$), необходимо, чтобы в активной среде было больше атомов в возбужденном состоянии, чем в основном (или на нижнем рабочем уровне). Такое состояние, при котором населенность верхнего уровня $N_2$ больше населенности нижнего уровня $N_1$ ($N_2 > N_1$), называется инверсией населенностей.

Создать инверсию в простой двухуровневой системе практически невозможно. Время жизни атомов в обычных возбужденных состояниях очень мало (порядка $10^{-8}$ с). Атомы почти мгновенно возвращаются в основное состояние путем спонтанного излучения, и никакая интенсивная накачка не позволит добиться того, чтобы на верхнем уровне оказалось больше атомов, чем на нижнем.

Именно здесь решающую роль играют метастабильные состояния. Это возбужденные энергетические состояния атома с аномально большим временем жизни (от $10^{-6}$ до $10^{-3}$ с, а иногда и дольше). Переходы с метастабильного уровня на нижележащие уровни затруднены (запрещены правилами отбора), поэтому атом может находиться в этом состоянии достаточно долго.

В лазерах, как правило, используются трехуровневые или четырехуровневые схемы, где метастабильный уровень выполняет следующую функцию:

1. Накачка. Атомы активной среды с помощью внешнего источника энергии переводятся из основного состояния $E_0$ на некий высокий, но короткоживущий энергетический уровень $E_2$.
2. Быстрая релаксация. С уровня $E_2$ атомы очень быстро (часто без излучения, передавая энергию кристаллической решетке или через столкновения) переходят на более низкий энергетический уровень $E_1$, который и является метастабильным.
3. Накопление и инверсия. Поскольку уровень $E_1$ метастабильный, атомы "застревают" и накапливаются на нем. Этот процесс происходит гораздо быстрее, чем спонтанный распад с этого уровня. В результате населенность метастабильного уровня $N_1$ становится значительно больше населенности нижележащего уровня $E_0$ (в трехуровневой схеме) или другого, специально подобранного рабочего уровня (в четырехуровневой схеме). Так создается инверсия населенностей.
4. Лазерная генерация. Лазерный переход происходит как раз с метастабильного уровня на нижний рабочий уровень. Спонтанно испущенный фотон при таком переходе запускает лавину вынужденных переходов, что приводит к генерации мощного когерентного монохроматического излучения.

Таким образом, метастабильные состояния служат "резервуаром" или "накопителем" для возбужденных атомов, что делает возможным создание и поддержание инверсии населенностей — главного условия работы любого лазера.

Ответ: Метастабильные состояния — это возбужденные состояния с большим временем жизни. Их роль в генерации лазерного излучения заключается в том, что они позволяют накапливать атомы на верхнем рабочем энергетическом уровне. Это накопление приводит к созданию инверсии населенностей — состояния, при котором число возбужденных атомов превышает число атомов на нижнем рабочем уровне, что является необходимым условием для усиления света за счет вынужденного излучения и, следовательно, для работы лазера.