Номер 3, страница 205 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

3. Для чего в лазере необходим оптический резонатор?

3. Оптический резонатор является одним из трёх фундаментальных компонентов лазера, наряду с активной (рабочей) средой и системой накачки. Его главная роль заключается в обеспечении положительной обратной связи для светового излучения, которое генерируется в активной среде. Проще говоря, резонатор "запирает" свет, заставляя его многократно проходить через активную среду, что приводит к его усилению. Это достигается с помощью системы зеркал. В простейшем случае резонатор Фабри-Перо состоит из двух параллельных зеркал, между которыми находится активная среда.

Оптический резонатор выполняет три ключевые функции:

1. Усиление света. После того как система накачки переводит атомы активной среды в возбуждённое состояние, случайный (спонтанный) фотон может вызвать вынужденное излучение другого, идентичного фотона. Чтобы этот процесс стал лавинообразным и привёл к мощному излучению, необходимо, чтобы фотоны многократно проходили через активную среду. Резонатор возвращает фотоны обратно в среду. Одно из зеркал резонатора делается почти полностью отражающим, а второе — частично прозрачным. Через это полупрозрачное зеркало и выходит наружу уже усиленный лазерный луч. Без резонатора усиление было бы слишком слабым, так как большинство фотонов покидали бы рабочую среду после одного прохода.

2. Формирование направленного пучка. Резонатор отвечает за одно из самых известных свойств лазера — высокую направленность (коллимированность) луча. Из всех фотонов, испускаемых в случайных направлениях, в резонаторе могут долго существовать и многократно усиливаться только те, которые распространяются строго вдоль его оптической оси (перпендикулярно зеркалам). Фотоны, летящие под другими углами, быстро выходят за пределы резонатора и не участвуют в дальнейшей генерации. Таким образом, резонатор отбирает фотоны, летящие в одном направлении, и формирует из них узкий, почти не расходящийся пучок света.

3. Определение спектрального состава излучения. Резонатор работает как частотный фильтр, обеспечивая высокую монохроматичность лазерного света. Усиление и генерация происходят только для тех длин волн, которые соответствуют резонансным условиям. Для резонатора с плоскими зеркалами это означает, что на его длине $L$ должно укладываться целое или полуцелое число длин волн, образуя стоячую волну. Условие резонанса для простейшего случая имеет вид: $L = m \frac{\lambda}{2}$ где $m$ — целое число (номер моды), а $\lambda$ — длина волны. Это означает, что из всего спектра, который в принципе может излучать активная среда, резонатор "вырезает" только очень узкие участки (резонансные частоты), что и делает излучение лазера практически одноцветным (монохроматическим).

Ответ: Оптический резонатор в лазере необходим для создания положительной обратной связи: он многократно возвращает фотоны в активную среду для их лавинообразного усиления, формирует из них узконаправленный пучок и отбирает излучение строго определённой длины волны (частоты), обеспечивая тем самым ключевые свойства лазерного луча — когерентность, высокую интенсивность, направленность и монохроматичность.