Фізика Лазерів

Симуляція лазерного випромінювання та квантових переходів

Керування

50 Ð’Ñ‚
500 ТГц
1.0
150

Лазерні Параметри

Потужність накачування: 50 Ð’Ñ‚
Частота лазера: 500 ТГц
Довжина хвилі: 600 нм
Енергія фотона: 3.31×10⁻¹⁹ Дж
Коефіцієнт посилення: 1.0

Квантові Переходи

Населеність основного стану: 45%
Населеність збудженого стану: 55%
Інверсія населеності: 10%
Швидкість спонтанного випромінювання: 1.2×10⁶ с⁻¹
Швидкість стимульованого випромінювання: 2.1×10⁶ с⁻¹

Лазерне Випромінювання

Потужність лазера: 25 Ð’Ñ‚
Інтенсивність: 3.98×10⁶ Вт/м²
Когерентність: Висока
Монохроматичність: Δλ/λ = 10⁻⁶
Напрямленість: 0.1 мрад

Пояснення Фізики Лазерів

Основні Поняття

  • LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
  • Стимульоване випромінювання - випромінювання фотона під дією іншого фотона
  • Інверсія населеності - більше атомів у збудженому стані, ніж у основному
  • Когерентність - синхронність фаз електромагнітних хвиль
  • Оптичний резонатор - система дзеркал для зворотного зв'язку

Математичні Формули

E = hf - енергія фотона
λ = c/f - довжина хвилі
N₂/N₁ = exp(-hf/kT) - розподіл Больцмана
R₂₁ = B₂₁ρ(ν) - швидкість стимульованого випромінювання
G = exp(αL) - коефіцієнт посилення
I = P/A - інтенсивність випромінювання

Принцип Роботи Лазера

Етапи лазерного процесу:

  • Накачування - підвищення атомів до збудженого стану
  • Спонтанне випромінювання - випадкове випромінювання фотонів
  • Стимульоване випромінювання - випромінювання під дією фотона
  • Посилення - збільшення інтенсивності в резонаторі
  • Вихід випромінювання - часткове пропускання через дзеркало

Властивості лазерного випромінювання:

  • Монохроматичність - вузький спектр частот
  • Когерентність - синхронність фаз
  • Напрямленість - малий кут розходження
  • Висока інтенсивність - велика потужність на одиницю площі
  • Поляризація - визначений напрямок коливань

Часті Питання

Що таке стимульоване випромінювання?

Стимульоване випромінювання - це процес, коли фотон з певною енергією стимулює атом у збудженому стані випромінити другий фотон з такою ж енергією, фазою та напрямком. Це ключовий принцип роботи лазера.

Чому потрібна інверсія населеності?

Інверсія населеності необхідна для того, щоб стимульоване випромінювання переважало над поглинанням. Якщо більше атомів знаходиться в збудженому стані, то більше фотонів буде випромінено, ніж поглинено.

Що таке когерентність лазерного випромінювання?

Когерентність означає, що всі фотони лазерного пучка мають однакову фазу та частоту. Це дозволяє створювати інтерференційні картини та фокусувати випромінювання в дуже малу точку.

Які типи лазерів існують?

Існує багато типів лазерів: газові (гелій-неоновий, CO₂), твердотільні (рубіновий, Nd:YAG), напівпровідникові (діодні), рідинні (барвникові), вільні електрони та інші. Кожен тип має свої переваги та застосування.