32.3 — Лазеры

Лазер использует вынужденное излучение: фотон запускает появление второго фотона той же частоты, фазы, поляризации и направления.

ФГОС · 11 классФОП · базовый уровеньинтерактивная модель

вынужденное излучениеинверсия населённостирезонаторкогерентность

Физическая картина

Что происходит и какие границы имеет модель.

Главная идея

Для усиления нужна инверсная населённость уровней.
Оптический резонатор многократно проводит свет через активную среду.
Лазерный пучок монохроматичен, когерентен и слабо расходится.

Как рассуждатьСначала назовите систему и взаимодействия, затем выберите величины и только после этого записывайте закон. Формула работает в пределах допущений модели.

Законы и величины

Символы следует читать как связь величин, а не как рецепт подстановки.

\Delta E=h\nu

частота перехода

P=\frac{E}{t}

мощность пучка

Разбор ситуации

Два зеркала резонатора отбирают направления, в которых волна многократно усиливается в активной среде.

Связи и применение

В реальном мире

Два зеркала резонатора отбирают направления, в которых волна многократно усиливается в активной среде.

Проверка модели

Сравнивайте предсказание с наблюдением, оценивайте единицы, порядок величины и влияние неучтённых факторов. Расхождение не всегда означает ошибку закона: часто идеализация перестаёт быть достаточной.

Что нужно понимать

Результат 1Объяснять физический смысл темы «Лазеры» через модель, а не только через формулу.

Результат 2Различать и корректно использовать термины: вынужденное излучение, инверсия населённости, резонатор.

Результат 3Указывать условия применимости закона, проверять единицы и предельные случаи.

Термины темы

Определение должно указывать физический смысл, а не заменяться бытовым синонимом.

вынужденное излучение: Испускание фотона возбуждённой системой под действием фотона той же частоты с согласованными характеристиками.
инверсия населённости: Состояние среды, в котором на верхнем энергетическом уровне частиц больше, чем на нижнем.
резонатор: Система, поддерживающая колебания определённых собственных частот и усиливающая их при резонансе.
когерентность: Согласованность колебаний, при которой разность их фаз остаётся постоянной или предсказуемой.

Происхождение и вывод формул

Фундаментальный закон нельзя «доказать» алгеброй: для каждой записи указано, является ли она определением, экспериментальным законом или следствием модели.

\Delta E=h\nu

постулат или модель

Частота перехода. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

\Delta E=E_2-E_1>0

Для лазерного перехода выбирают разность верхнего и нижнего энергетических уровней.

E_\gamma=h\nu

При вынужденном излучении возникший фотон имеет ту же частоту, фазу и направление, что и внешний фотон.

E_\gamma=\Delta E\quad\Rightarrow\quad\nu=\frac{\Delta E}{h}

Сохранение энергии задаёт частоту лазерного излучения.

Условия: Переход между двумя заданными уровнями активной среды; уширение уровней мало, ΔE берётся положительным. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

P=\frac{E}{t}

определение

Мощность пучка. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

P_{\text{ср}}:=\frac{\Delta E}{\Delta t}

Среднюю мощность определяют как энергию, перенесённую пучком за единицу времени.

E=Nh\nu

Для N одинаковых фотонов полная энергия равна сумме их квантовых энергий.

P=\frac{E}{t}=\frac{Nh\nu}{t}

Поэтому мощность можно также связать с числом фотонов, проходящих за время t.

Условия: E — энергия, перенесённая через выбранное сечение за интервал t > 0; для переменного пучка это средняя, а не мгновенная мощность. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

Границы модели и типичные ошибки

Ошибка: забыть условие моделиНельзя переносить формулу на любую ситуацию только из-за совпадения букв. Ключевое условие этой темы: Для усиления нужна инверсная населённость уровней.

Как проверить рассуждениеОптический резонатор многократно проводит свет через активную среду. Затем проверьте единицы, направление векторов и поведение результата при нулевом или очень большом параметре.

Вывод по теме

Лазеры

Для усиления нужна инверсная населённость уровней.
Оптический резонатор многократно проводит свет через активную среду.
Любой численный результат сопровождается единицей, знаком и объяснением его физического смысла.

Содержание сверено с ФРП по физике ООО/СОО 2025 года и тематикой действующих линий ФПУ: И. М. Пёрышкин и соавторы (7–9), Г. Я. Мякишев и соавторы (10–11); углубления — с линиями «Инженеры будущего» и В. А. Касьянова. Формулировки оригинальные, тексты учебников не воспроизводятся.