ГДЗ по физике, 11 класс, Мякишев, номер 76.2: Лазеры

План решения:

• Рассмотрим механизм вынужденного излучения в активной среде лазера.
• Свяжем процесс вынужденного излучения с когерентностью (согласованностью) волн.
• Объясним, почему это приводит к отсутствию нерегулярных изменений фазы.

Вычисление и обоснование:

В отличие от обычных источников света, где атомы излучают фотоны спонтанно и независимо друг от друга, в лазере основным механизмом является вынужденное излучение . Когда фотон, уже существующий в резонаторе, пролетает мимо возбуждённого атома, он вызывает переход этого атома на нижний энергетический уровень. При этом испускается новый фотон.

Ключевое свойство вынужденного излучения заключается в том, что новый фотон является точной копией вызвавшего его фотона: они имеют одинаковую частоту, поляризацию, направление распространения и, что самое важное для данного вопроса, одинаковую фазу . Это явление называется когерентным усилением сигнала.

Так как каждый новый акт излучения не добавляет случайного сдвига фазы, а лишь увеличивает амплитуду уже существующей волны, суммарная фаза лазерного пучка остаётся стабильной во времени. Нерегулярные изменения фазы, характерные для теплового излучения (где каждый атом «живёт своей жизнью»), здесь отсутствуют, так как все атомы работают согласованно под влиянием одного и того же электромагнитного поля.

Проверка:

Если бы фаза испытывала нерегулярные изменения, излучение было бы некогерентным, и мы не наблюдали бы узкой спектральной линии и высокой направленности луча. Согласованность действий атомов через механизм вынужденного излучения гарантирует сохранение фазовой синхронизации, что подтверждает правильность объяснения.