Най-важното от урока
Принцип: Лазерът усилва светлина чрез процеса стимулирано излъчване, при който един фотон предизвиква излъчването на втори, идентичен на него фотон.
Условие: За да работи лазерът, е нужна инверсна населеност – повече атоми във възбудено, отколкото в основно състояние.
Устройство: Състои се от активна среда, източник на енергия (помпа) и оптичен резонатор (две огледала), който усилва светлината лавинообразно.
Резултат: Генерира се силно насочен, монохроматичен (едноцветен) лъч светлина с широко приложение в технологиите и медицината.
Условие: За да работи лазерът, е нужна инверсна населеност – повече атоми във възбудено, отколкото в основно състояние.
Устройство: Състои се от активна среда, източник на енергия (помпа) и оптичен резонатор (две огледала), който усилва светлината лавинообразно.
Резултат: Генерира се силно насочен, монохроматичен (едноцветен) лъч светлина с широко приложение в технологиите и медицината.
Атомите могат да съществуват в различни енергийни състояния. Преминаването между тях става чрез поглъщане или излъчване на фотони с енергия \(hv = E_2 - E_1\).
Стимулирано поглъщане: Атом в основно състояние \(E_1\) поглъща фотон и преминава във възбудено състояние \(E_2\).
Спонтанно излъчване: Атом във възбудено състояние \(E_2\) излъчва фотон в произволна посока и се връща в основно състояние \(E_1\).
Стимулирано излъчване: Фотон с енергия \(hv = E_2 - E_1\) предизвиква преминаването на възбуден атом в основно състояние, при което се излъчва втори фотон, идентичен на първия (със същата посока, честота и поляризация).
Стимулирано поглъщане: Атом в основно състояние \(E_1\) поглъща фотон и преминава във възбудено състояние \(E_2\).
Спонтанно излъчване: Атом във възбудено състояние \(E_2\) излъчва фотон в произволна посока и се връща в основно състояние \(E_1\).
Стимулирано излъчване: Фотон с енергия \(hv = E_2 - E_1\) предизвиква преминаването на възбуден атом в основно състояние, при което се излъчва втори фотон, идентичен на първия (със същата посока, честота и поляризация).
При стимулираното излъчване, ако един фотон премине покрай възбуден атом, след взаимодействието ще имаме два напълно еднакви фотона, движещи се в една и съща посока. Това е процесът на "усилване на светлината".
Кой от трите процеса (стимулирано поглъщане, спонтанно или стимулирано излъчване) е в основата на усилването на светлината в лазера?
Отговор: Стимулираното излъчване, защото то води до създаване на фотони, които са ко копия на предизвикалите ги фотони, като по този начин се увеличава броят им (усилва се светлината).
За да преобладава стимулираното излъчване над поглъщането, трябва броят на атомите във възбудено състояние (\(N_2\)) да е по-голям от броя им в основно състояние (\(N_1\)). Това състояние се нарича инверсна населеност и се постига чрез външен източник на енергия (процес, наречен "помпене").
При нормални условия почти всички атоми са в основно състояние. Чрез облъчване със светлина от мощна лампа (помпене), можем да "издигнем" повече от половината атоми във възбудено състояние, създавайки инверсна населеност.
Защо без инверсна населеност не може да има усилване на светлината?
Отговор: Тъй като вероятностите за стимулирано поглъщане и стимулирано излъчване са равни, ако има повече атоми в основно състояние, поглъщането ще доминира и светлината ще отслабва, вместо да се усилва.
Всеки лазер се състои от три основни компонента:
- Активна среда: Материал (газ, течност, кристал), в който се създава инверсна населеност.
- Устройство за възбуждане (помпане): Източник на енергия (лампа, електрически разряд), който създава инверсната населеност.
- Оптичен резонатор: Две огледала, разположени срещуположно. Едното е напълно отразяващо, а другото е частично пропускливо.
Принцип на работа: Устройството за възбуждане създава инверсна населеност в активната среда. Спонтанно излъчените фотони, които се движат по оста на резонатора, се отразяват многократно от огледалата. При всяко преминаване през активната среда те предизвикват лавина от стимулирани излъчвания, усилвайки светлината. Част от тази усилена светлина преминава през частично пропускливото огледало като лазерен лъч.
Каква е ролята на частично пропускливото огледало в лазера?
Отговор: То има две роли: 1) Да отразява по-голямата част от светлината обратно в активната среда, за да поддържа процеса на усилване. 2) Да пропусне малка част от усилената светлина навън, формирайки полезния лазерен лъч.
Задачи за упражнение
Лесна: Какво означава акронимът ЛАЗЕР (LASER)?
Отговор: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Усилване на светлината чрез стимулирано излъчване).
Средна: Сравнете фотоните, получени при спонтанно и стимулирано излъчване по посока и идентичност.
При спонтанно излъчване посоката на фотона е случайна.
При стимулирано излъчване излъченият фотон е напълно идентичен (същата посока, честота, фаза, поляризация) с фотона, който го е предизвикал.
При стимулирано излъчване излъченият фотон е напълно идентичен (същата посока, честота, фаза, поляризация) с фотона, който го е предизвикал.
Трудна: Представете си, че полупрозрачното огледало на един лазер е заменено с напълно отразяващо. Ще излиза ли лазерен лъч от устройството и какво ще се случи с енергията вътре в резонатора?
Отговор: Няма да излиза лазерен лъч, защото няма откъде да "избяга". Светлината ще продължи да се усилва между двете огледала, докато енергията не се разсее под формата на топлина в активната среда или компонентите на лазера не се повредят от високата интензивност.
