За один обход: усиление × возврат
Меняй условное усиление и долю возврата, затем сравни несколько обходов.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Начальный условный поток 100. N = 100(GR)ᵏ — начальная линейная модель без насыщения; не инструкция настройки реального лазера.
Три составные части
В учебной схеме лазер включает активную среду, накачку и оптический резонатор. Активная среда может усиливать свет за счёт вынужденного излучения. Накачка подводит энергию и поддерживает нужное неравновесное распределение частиц.
Резонатор обеспечивает обратную связь: часть света многократно проходит через среду. Одно из зеркал пропускает часть потока наружу. Эти роли различаются: зеркало не создаёт энергию, а накачка сама по себе не гарантирует генерацию.
Активная среда
Передаёт энергию свету
Накачка
Пополняет запас возбуждения
Резонатор
Возвращает часть света и отбирает моды
Лазер соединяет оптическое усиление с обратной связью и внешним подводом энергии.
Почему две идеальные зеркальные поверхности без активной среды не становятся лазером?
Они могут возвращать уже имеющийся свет, но не обеспечивают усиление за счёт внешней энергии.
Порог генерации
За обход резонатора свет усиливается в активной среде и теряется из-за выхода, поглощения и рассеяния. Если суммарное усиление меньше потерь, возмущение затухает. Порог соответствует компенсации потерь. Выше порога световой поток может нарастать.
Нарастание не продолжается бесконечно: уменьшается инверсия, возникает насыщение, устанавливается режим, зависящий от накачки и потерь. Простая геометрическая прогрессия годится только для начального участка и не заменяет динамику реального лазера.
Учебный множитель за обход
K = G · R
K < 1
Поток уменьшается
K = 1
Баланс в линейной модели
K > 1
Начальное нарастание
Условие генерации связано с превышением усиления над суммарными потерями.
Означает ли K = 1 отсутствие света?
Нет. В простой модели это сохранение имеющегося потока за обход; абсолютный уровень и устойчивость требуют дополнительных условий.
Оптические пути внутри лазерной системы
Согласованные световые пучки формируются оптической системой. Фотография показывает приборный пример, а не схему для самостоятельной сборки.
Alexey Vazhnov · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Синусоида на экране осциллографа
Осциллограф показывает зависимость напряжения от времени. Длина волны в пространстве и период на временном графике — разные характеристики.
Pittigrilli · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Свойства и ограничения
Лазерное излучение часто имеет малую расходимость, узкий спектр и высокую когерентность по сравнению с обычной лампой. Но реальный пучок не имеет строго нулевой ширины спектра и нулевой расходимости. Конечное отверстие неизбежно связано с дифракцией.
Не всякий лазер непрерывен: существуют импульсные режимы. Не все лазеры излучают видимый свет. Мощность, длина волны, длительность импульса и фокусировка определяют воздействие; само слово «лазер» не задаёт одну конкретную мощность.
| Характеристика | Физический смысл |
|---|---|
| Когерентность | Согласованность фаз |
| Узкий спектр | Малый диапазон частот |
| Направленность | Небольшая угловая расходимость |
| Импульсность | Энергия поступает отдельными импульсами |
Свойства лазера имеют конечные количественные значения и зависят от устройства и режима.
Почему нельзя считать любой лазер идеально монохроматическим?
Реальное излучение имеет конечную спектральную ширину и может содержать несколько мод.
Модель: усиление и потери
Модель использует условные множители усиления G и возврата R за полный обход. Меняй их и номер обхода: число на схеме пропорционально начальному потоку, N = N₀(GR)ᵏ. Это математическое объяснение порога, а не инструкция настройки реального прибора.
Например, G = 1,5 и R = 0,8 дают K = 1,2. После трёх обходов поток в линейном приближении увеличится в 1,728 раза. Если R = 0,5, K = 0,75 и тот же начальный поток уменьшается. Насыщение в этой короткой модели не рассчитывается.
Усиление среды
Умножить на G
Потери и возврат
Умножить на R
Повторить обход
Сравнить GR с единицей
Порог объясняется произведением усиления и доли возврата, а энергия усиленного света поступает от накачки.
Почему нельзя продлевать расчёт N₀Kᵏ до сколь угодно большого k?
Он не учитывает истощение инверсии и насыщение усиления, которые ограничивают реальный рост.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 34. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 34. Лазеры.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.