Лазер физика егэ - Exhelper.top - портал для учащихся

Лазер.

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев.

Темы кодификатора ЕГЭ : лазер.

Лазер (оптический квантовый генератор) — выдающееся достижение физики XX века. Уникальные свойства лазерного луча находят применение в самых разнообразных сферах — от мощных промышленных агрегатов до мелкой бытовой техники.

Слово laser образовано первыми буквами фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Дословный перевод таков: «усиление света с помощью вынужденной эмиссии излучения». В русском языке используется более короткий термин вынужденное излучение или индуцированное излучение (слово «эмиссия» опускается). Явление индуцированного излучения, которое мы сейчас обсудим, составляет физическую основу действия любого лазера.

Индуцированное излучение.

Рассмотрим два энергетических состояния атома: основное состояние с энергией $E_{1}$ и возбуждённое состояние с энергией $E_{2}>E_{1}$ . Переходя из возбуждённого состояния в основное, атом излучает фотон с энергией $hnu = E_{2}-E_{1}$ .

Если возбуждённый атом предоставлен сам себе, то он переходит в основное состояние самопроизвольно. Момент перехода предсказать невозможно, и потому излучение в этом случае называется спонтанным. Спонтанное излучение различных атомов является некогерентным, поскольку атомы излучают совершенно независимо друг от друга.

Оказывается, однако, что атом можно заставить излучить фотон, вынудив соскок электрона с верхнего уровня на нижний. Это произойдёт под действием внешнего электромагнитного поля, частота которого совпадает с частотой перехода $nu=(E_{2}-E_{1})/h$ . Эффект аналогичен явлению резонанса при вынужденных колебаниях; в качестве вынуждающей силы выступает при этом электромагнитное поле. Излучение атома, вызванное внешним электромагнитным полем, называется вынужденным или индуцированным (рис. 1).

Рис. 1. Индуцированное излучение: $hnu = Delta E=E_{2}-E_{1}$

Левая часть рисунка соответствует начальной ситуации, когда на возбуждённый атом, находящийся в состоянии с энергией $E_{2}$ , падает фотон, энергия hnu которого в точности равна разности $Delta E=E_{2}-E_{1}$ энергий возбуждённого и основного состояний.

Средняя часть рисунка показывает вынужденный переход атома в основное состояние: под воздействием падающего фотона электрон соскакивает с верхнего уровня на нижний.

В правой части рисунка мы видим результат этого соскока. Падающий фотон никуда не делся, а атом, перейдя в основное состояние, излучил ещё один фотон, тождественный падающему фотону. Таким образом, вместо одного падающего фотона «на входе» возникло два фотона-близнеца «на выходе».

Итак, в результате индуцированного излучения атом испускает монохроматическую волну, совпадающую с падающей волной по частоте и фазе. Эти две волны, интерферируя, усиливают друг друга! Именно этот эффект усиления света используется в лазере.

Инверсная населённость.

Для усиления света, проходящего через некоторую среду, одного только индуцированного излучения атомов среды недостаточно. Нужно ещё создать инверсную населённость энергетических уровней атомов. Давайте разберёмся, что это такое.

Когда свет идёт через вещество, возникают два противоположных эффекта.

1. Cвет поглощается атомами среды, находящимися в основном состоянии. Эти атомы переходят в возбуждённое состояние.

2. Свет усиливается за счёт индуцированного излучения возбуждённых атомов. Испуская фотоны, эти атомы возвращаются в основное состояние.

Возникает вопрос: какой эффект перевешивает?

В обычных условиях большинство атомов вещества находятся в основном состоянии, меньшая их часть — в возбуждённом. В таком случае мы имеем нормальную населённость энергетических уровней (рис. 2, слева).

Рис. 2. Два типа населённости уровней

Если свет проходит через среду с нормальной населённостью, то большая часть атомов поглощает свет; индуцированное излучение создаётся малым количеством атомов. В результате число фотонов уменьшается со временем, и световой поток ослабляется.

Можно, однако, создать условия, когда большинство атомов среды находится в возбуждённом состоянии. В таком случае населённость уровней называется инверсной (рис. 2, справа).

Если свет подходящей частоты распространяется в среде с инверсной населённостью, то фотоны чаще налетают на возбуждённые атомы, чем на невозбуждённые, так что индуцированное излучение фотонов преобладает над их поглощением. По мере прохождения света количество фотонов нарастает, и свет усиливается.

Как же создать в среде инверсную населённость? Нельзя ли просто направить на вещество мощный поток света и освещать до тех пор, пока больше половины атомов не перейдёт в возбуждённое состояние?

Добиться этого и в самом деле можно, но проблема состоит в том, что двумя энергетическими уровнями тут не обойдёшься. Действительно, поглощая фотоны, атомы будут переходить из основного состояния $E_{1}$ в возбуждённое состояние $E_{2}$ ; но те же самые фотоны падающего света будут вынуждать и обратные переходы с уровня $E_{2}$ на уровень $E_{1}$ , сопровождающиеся индуцированным излучением. Следовательно, число возбуждённых атомов с энергией $E_{2}$ не может превысить числа атомов в основном состоянии $E_{1}$ .

Трёхуровневая система рубина.

Классической схемой создания в среде инверсной населённости является система из трёх знергетических уровней $E_{1}$ , $E_{2}$ и $E_{3}$ , в которой состояние $E_{1}$ является основным, состояние $E_{3}$ — «короткоживущим» , а состояние $E_{2}$ — «долгоживущим». Такие уровни имеются в кристаллах рубина.

Работа трёхуровневой системы показана на рис. 3. В начальной ситуации большинство атомов находится в основном состоянии $E_{1}$ .

Рис. 3. Инверсная населённость в трёхуровневой системе

Мощная вспышка лампы переводит большую часть атомов среды в возбуждённое состояние с энергией $E_{3}$ . Но электроны атомов не задерживаются на этом энергетическом уровне. Состояние $E_{3}$ обладает малым временем жизни tau , равным примерно $10^{-8}$ с; по истечении данного промежутка времени электроны соскакивают с уровня $E_{3}$ вниз — но не назад на уровень $E_{1}$ , а на промежуточный уровень $E_{2}$ .

Переход $E_{3}rightarrow E_{2}$ не сопровождается излучением — энергия этого перехода передаётся тепловым колебаниям кристаллической решётки. Но самое главное заключается в том, что состояние $E_{2}$ имеет огромное по атомным масштабам время жизни — порядка $10^{-3}$ с. Эта величина, как видим, в 100000 раз больше времени жизни состояния $E_{3}$ ; по этой причине энергетическое состояние $E_{2}$ называется метастабильным.

Итак, в результате вспышки лампы атомы из основного состояния $E_{1}$ транзитом через уровень $E_{3}$ переводятся на метастабильный уровень $E_{2}$ , и благодаря большому времени жизни этого уровня начинают на нём накапливаться. Если переходы $E_{1}rightarrow E_{3}$ совершаются достаточно быстро, то на уровне $E_{2}$ окажется больше половины атомов среды — возникает инверсная населённость данного уровня!

Ну а затем достаточно небольшого числа спонтанных переходов $E_{2}rightarrow E_{1}$ , и излучённые фотоны вызовут лавину таких же, но теперь уже индуцированных лазерных переходов $E_{2}rightarrow E_{1}$ . Число фотонов, порождённых лазерными переходами, стремительно нарастает и создаёт импульс лазерного излучения.

Таким образом, луч лазера генерируется в ходе согласованного «сброса» многих атомов с уровня $E_{2}$ на уровень $E_{1}$ . Атомы при этом излучают синхронно , «в такт», и волны, излучённые атомами, идентичны друг другу по частоте и фазе. Излучение лазера, будучи результатом наложения таких идентичных волн, получается когерентным — в отличие, например, от некогерентного света электрической лампочки, порождаемого спонтанным излучением различных 0.атомов в случайные моменты времени.

Устройство лазера.

В общих чертах схема устройства лазера выглядит следующим образом (рис. 4).

Рис. 4. Устройство лазера

В атомах активной среды 1 создаётся инверсная населённость в результате вспышки 2. Активной средой может служить, например, кристалл рубина или какое-либо другое подходящее вещество.

На торцах активной среды стоят непрозрачное зеркало 3 и полупрозрачное зеркало 4. Эти зеркала обеспечивают, как говорят, обратную связь. Они нужны для более эффективного усиления лазерного луча 5.

А именно, происходит вот что. После вспышки, как мы уже говорили, создаётся инверсная населённость, и достаточно нескольких спонтанно излучённых фотонов при лазерном переходе $E_{2}rightarrow E_{1}$ , чтобы началось их лавинообразное размножение в результате индуцированного излучения. Но при отсутствии зеркал эта лавина не успеет затронуть весьма большое количество возбуждённых атомов — возникший импульс уже покинет пределы активной среды.

Чтобы этого не произошло, световой импульс разумно завернуть назад и погонять некоторое время внутри активной среды, заставляя высвечиваться всё большее и большее количество атомов — и тем самым всё более усиливая лазерный луч. Вот для этого и нужны зеркала на торцах. Одно зеркало, естественно, должно быть полупрозрачным и частично выпускать излучение наружу — мы ведь хотим использовать луч лазера для каких-то целей

Зеркала выполняют ещё одну важную функцию: благодаря им лазерный луч имеет очень малую расходимость. Дело в том, что лучи, отклоняющиеся от оси цилиндра, рано или поздно выйдут через боковую цилиндрическую поверхность, а лучи, идущие параллельно оси, будут циркулировать туда-сюда сколько угодно и максимально усиливаться. Вот почему лазерный луч даёт маленькое световое пятно даже на удалённых предметах.

Спасибо за то, что пользуйтесь нашими статьями.
Информация на странице «Лазер.» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к экзаменам.
Чтобы успешно сдать нужные и поступить в ВУЗ или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими материалами из разделов нашего сайта.

Публикация обновлена:
09.03.2023

Источник

Лазер испускает световой импульс с энергией W  =  12 Дж. Свет от лазера падает перпендикулярно на плоское зеркало площадью S  =  10 см². Определите длительность импульса τ, если среднее давление света на зеркало равно p  =  1 кПа.

Спрятать решение

Решение.

1.  При отражении от зеркала импульс фотонов изменяется на где ν — частота света, излучаемого лазером; h  — постоянная Планка; с  — скорость света в вакууме.

2.  Пусть N  — число фотонов, излучённых лазером, тогда W  =  Nhν.

3.  Модуль силы, действующей на зеркало Давление света на зеркало:

откуда находим длительность импульса света:

Ответ:

Спрятать критерии

Критерии проверки:

Критерии оценивания выполнения задания	Баллы
Приведено полное решение, включающее следующие элементы: I) записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом (изменение импульса фотона при отражении от зеркала, связь энергии лазерного импульса с числом испущенных фотонов, выражение для силы, действующей на зеркало и выражение для давления.); II) описаны все вновь вводимые в решении буквенные обозначения физических величин (за исключением обозначений констант, указанных в варианте КИМ, и обозначений величин, используемых в условии задачи); III) проведены необходимые математические преобразования, приводящие к правильному ответу; IV) представлен правильный ответ.	3
Правильно записаны все необходимые положения теории, физические законы, закономерности и проведены необходимые преобразования, но имеются следующие недостатки. Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном объёме или отсутствуют. ИЛИ Лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), не отделены от решения (не зачёркнуты, не заключены в скобки, рамку и т. п.). ИЛИ В необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены ошибки, и (или) преобразования/вычисления не доведены до конца. ИЛИ Отсутствует пункт IV, или в нём допущена ошибка.	2
Представлены записи, соответствующие одному из следующих случаев. Представлены только положения и формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения задачи, без каких-либо преобразований с их использованием, направленных на решение задачи, и ответа. ИЛИ В решении отсутствует одна из исходных формул, необходимая для решения задачи (или утверждение, лежащее в основе решения), но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи. ИЛИ В одной из исходных формул, необходимых для решения задачи (или в утверждении, лежащем в основе решения), допущена ошибка, но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи.	1
Все случаи решения, которые не соответствуют вышеуказанным критериям выставления оценок в 1, 2, 3 балла.	0
Максимальный балл	3

Источник: ЕГЭ по физике 08.05.2014. Досрочная волна, резервная волна. Вариант 202

Источник

Физика. Подготовка к ЕГЭ

/
Новая тема

/
Вопросы по теме «Лазеры»

1. Что такое лазер?
2. Что такое индуцированное излучение?
3. В каком году и кем впервые был сконструирован лазер?
4. Каковы свойства лазерного излучения?
5. Каков принцип действия лазеров?
6. Что такое трёхуровневая система?
7. Каково устройство и принцип действия рубинового лазера?
8. Какие другие типы лазеров вам известны?
9. Каково применение лазеров?

Источник

В сегодняшней статье разберем решение задач на тему «Лазеры».

Ищете полезные материалы для учебы? Подпишитесь на наш телеграм! А если хотите получить скидку на заказ, вы обязательно найдете ее на нашем втором канале для клиентов.

Нужна помощь?

Доверь свою работу кандидату наук!

Задачи по теме «Лазеры»

Традиционно напоминаем: держите под рукой формулы и ознакомьтесь с общей памяткой по решению физических задач

Задача на лазеры №1

Условие

Лазер мощностью 1 мВт излучает свет с длиной волны 632,8 нм. Вычислить поток квантов излучения.

Решение

Запишем выражение для энергии одного фотона:

E0=hϑ=hcλ

Выразим полную энергию всех фотонов N через мощность и через предыдущую формулу для одного фотона:

Е=N·E0E=P·tN·E0=P·t

Выразим поток фотонов:

П=Nt=PE0

Подставим формулу для энергии отдного фотона и вычислим:

П=Pλhc=632,8·10-9·10-36,62·10-34·3·108=31,8·1014 Вт

Ответ: поток квантов излучения П=31,8·1014 Вт

Задача на лазеры №2

Условие

Лазер испускает излучение с длиной волны 330 нм. Определите энергию одного кванта света, испускаемого лазером.

Решение

Для решения этой задачи применим формулу Планка:

Е0=hϑ=hcλ

Здесь E0 – энергия одного кванта излучения (фотона), с – скорость света, λ – длина волны излучения. Подставим значения и вычислим:

E0=6,62·10-34·3·108330·10-9=6·10-19 Дж

Ответ: E0=6·10-19 Дж

Чтобы перевести это значение в электронвольты нужно энергию в Джоулях разделить на значение заряда электрона.

Задача на лазеры №3

Условие

Определите добротность резонатора гелий-неонового лазера из первой задачи по отношению к потерям на излучение, если длина активной зоны 40 см, а коэффициент отражения зеркала составляет 0,9.

Решение

Добротность резонатора определяется выражением:

Q=2πLλ1-R

Здесь R – коэффициент отражения, L – длина резонатора. Подставим значения и вычислим:

Q=2·3,14·0,4632,8·10-91-0,9=39,7·106

Ответ: 39,7·106

Задача на лазеры №4

Условие

Определить теоретически возможную ширину спектральной линии и степень монохроматичности излучения гелий-неонового лазера на длине волны 632,8 нм, если мощность излучения составляет 1мВт, а добротность резонатора 108

Решение

Запишем выражение для добротности резонатора:

Qp=ϑ∆ϑp

Здесь ϑ=сλ0 – центральная частота, ∆ϑp – ширина резонансного пика. Выразим ее из формулы для добротности:

∆ϑp=ϑQp

Ширина спектральной линии определяется по формуле Таунса:

∆ϑсп=8π·∆ϑ2p·hϑP∆ϑсп=8·3,14·27·1024253,6·106·10-27·1016·6,62·10-34103=0,18 Гц

Ответ: 0,18 Гц

Задача на лазеры №5

Условие

Определить соотношения максимальной и минимальной интенсивности интерференционных полос, соответствующих степени когерентности излучения 0,8.

Решение

Уравнение степени когерентности:

V=Imax-IminImax+Imin

При степени когерентности излучения V=0,8:

0,8=Imax-IminImax+Imin

Отсюда:

Imax=9Imin

Ответ: Imax=9Imin

Вопросы на тему «Лазеры» с ответами

Вопрос 1. Что такое лазер?

Ответ. Лазер – источник излучения, усиливаемого в результате индуцированного излучения.

Вопрос 2. Какого типа бывают лазеры?

Ответ. Лазерные установки делят по агрегатному состоянию рабочей среды (активного вещества) — она может быть твердой, жидкой и газообразной.

Вопрос 3. Нарисуйте простейшую схему лазера.

Ответ.

Общая схема оптического квантового генератора (лазера) приведена на рисунке. Необходимые элементы любого лазера:

Рабочее вещество, в котором может быть осуществлена инверсия (активная среда).
Устройство, в котором используется какое-либо физическое воздействие на рабочее вещество, позволяющее осуществить инверсию населенности (система накачки).
Элемент, при помощи которого осуществляется интенсивное взаимодействие излучения с веществом и происходит отбор энергии от возбужденных молекул (оптический резонатор).
Устройство, обеспечивающее вывод энергии.

Вопрос 4. Назовите области прикладного применения лазеров.

Ответ. Лазеры применяют в разных сферах науки, техники и медицины. Их используют

для космической связи, в светолокаторах, которые измеряют огромные расстояния с точностью до миллиметров;
для передачи телевизионных и компьютерных сигналов по оптическому волокну;
для считывания информации с компакт-дисков, штрих-кодов товаров;
при хирургических операциях;
излучение мощных лазеров применяют с целью сварки и резки металла.
для топографической съемки.

Направление тоннеля под проливом Ла-Манш задавалось с помощью лазерного луча.

Вопрос 5. Как назывались самые первые приборы, предшественники лазеров?

Ответ. Мазеры.

Посмотри примеры работ и убедись, что мы поможем на совесть!

Нужна помощь в учебе? Обращайтесь в профессиональный сервис для студентов в любое время!

Источник

Лазер

Чтобы получить доступ к бесплатным материалам, пожалуйста зарегистрируйтесь.

Извините, у Вас нет прав просматривать контент!

Регистрация
Войти

Источник

Видеоурок 1: Лазер. Как работает лазер?

Видеоурок 2: Светодиод и лазерная указка — Физика в опытах и экспериментах

Лекция: Лазер

Такой оптический прибор, как лазер — это выдающееся открытия в физике 20 столетия. Сегодня он используется, как в науке, технике, а также в быту.

Лазер — это слово, образованное сокращениями терминов из английского языка. В переводе на наш язык — это вынужденное излучение.

Итак, рассмотри атом, в котором электрон переходит с одного стационарного уровня на другой. В результате этого происходит излучение энергии:

Если никаких внешних сил не действует на атом, то электрон однажды самопроизвольно перейдет в свое стационарное состояние. Однако, под действием дополнительных сил можно заставить его излучать энергию, перепрыгивая с одного уровня на более низкий. Чтобы перескок произошел, на электрон следует действовать частотой, которая будет совпадать с внутренней частотой перехода.

Если переход атома в иной энергетический уровень вызвано внешним полем, то такой переход называется индуцированным. В результате этого происходить индуцированное излучение.

Итак, если на некоторой атом упадет энергия, имеющая частоту, кратную излучению атома, то он перейдет из одного энергоуровня на другой. В результате падения выделиться еще одна порция энергии, равная той, которая налетела на возбужденный атом. То есть атом начинает излучать. Таким образом, и происходит излучение лазером.

Схема лазера

Под номером 1 находится активная среда, например, рубидий. Атомы именно этого элемента в результате действия внешнего поля начинают излучать. К активной среде присоединены прозрачное зеркало (3) и полупрозрачное зеркало (4). Эти зеркала позволяют сделать луч лазера интенсивнее.

В результате того, что происходит вспышка (2), атомы рубидия переходят в возбужденное состояние, в результате чего они переходят с одного энергетического уровня на другой. Это приводит к выделению еще большей энергии, которая увеличивается под действием зеркал. Зеркала направляют энергию возбужденных атомов на те, которые не были затронуты в результате вспышки. Когда все атомы перешли в иной энергетический уровень образуется луч (5).

Источник

Лазер.

Индуцированное излучение.

Инверсная населённость.

Трёхуровневая система рубина.

Устройство лазера.

Задачи по теме «Лазеры»

Задача на лазеры №1

Задача на лазеры №2

Задача на лазеры №3

Задача на лазеры №4

Задача на лазеры №5

Вопросы на тему «Лазеры» с ответами

Лазер

Чтобы получить доступ к бесплатным материалам, пожалуйста зарегистрируйтесь.

Новое и интересное на сайте: