Урок на тему 'Лазер' 11 класс

Тема урока: «Лазеры».

Цель урока: познакомить учащихся с принципом действия квантовых

источников света.

Задачи урока:

• познакомить учащихся с историей создания лазеров и мазеров;

• дать представление об индуцированном излучении - физической основе работы лазера;

• показать значимость вклада советских ученых-физиков в создании квантовых источников света, познакомить учащихся с научными достижениями гениального ученого-земляка Н.Г. Басова;

• рассмотреть классификацию и области применения лазеров;

• способствовать самоорганизации и самообразованию учащихся.

Тип урока: изучение нового материала.

План изложения нового материала:

1. История создания лазеров.

2. Спонтанное и вынужденное излучение.

3. Принцип действия лазера:

   • Квантовые генераторы.

   • Основные компоненты лазера.

   • Трехуровневый лазер.

4. Классификация лазеров.

5. Применение лазеров.

Презентация «Лазеры»

Ход урока:

1. Организационный момент.

2. Актуализация знаний.

Учитель знакомит учащихся с темой и целями урока.

Сегодня трудно назвать область науки и техники, в которой не применялось бы лазерное излучение и лазерные технологии. Лазер быстрее других замечательных изобретений XX века нашел свое широкое применение. Сейчас созданы самые разнообразные лазеры, излучающие почти все длины волн ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра. В отличие от других источников света, лазер генерирует световые лучи, способные гравировать, сваривать, резать материалы, передавать информацию, осуществлять измерения, контролировать процессы, получать особо чистые вещества, направлять химические реакции. Это поистине удивительные лучи.

Академик Н.Г. Басов говорил: «Лазерный луч - это уникальный тепловой источник, способный нагреть облучаемый участок детали до высоких температур за столь малое время, в течение которого тепло не успевает «растечься». Нагреваемый участок может быть при этом размягчен, рекристаллизован, расплавлен, наконец, его можно испарить» [1, с. 43].

3. Изучение нового материала.

   • История создания лазеров. (СЛАЙДЫ 3-6)

Ученик: сообщение №1 «История создания лазеров» [1, с. 42; 2, с. 134 - 140].

• Спонтанное и вынужденное излучения.

Учитель:

В традиционных источниках света, таких как лампа накаливания или натриевая лампа, атомы получают энергию от электронов, создающих электрический ток. Перейдя в возбужденное состояние, электрон атома примерно через 10^-8 ÷ 10^-7с без какого-либо внешнего воздействия (спонтанно) возвращается в основное состояние, излучая фотон. Атомы возбуждаются электронами и излучают фотоны независимо друг от друга, поэтому излучаемые ими фотоны некогерентны друг с другом.

Рассмотрим возможные процессы взаимодействия атома с фотоном. Пусть энергия фотона hν = Е₂ - Е₁, где Е₁, Е₂ - энергии основного и возбужденного состояний атома.

Поглощение света: электрон атома, находящийся в основном состоянии с энергией Е₁, может поглотить фотон, перейдя в возбужденное состояние с энергией Е₂ > Е₁ (СЛАЙД 7). Интенсивность поглощенного излучения пропорциональна концентрации атомов, находящихся в основном состоянии.

Спонтанное излучение: в отсутствие внешних полей или столкновений с другими частицами электрон, находящийся в возбужденном состоянии, через время порядка 10^-8 ÷ 10^-7с самопроизвольно (спонтанно) возвращается в основное состояние (СЛАЙД 7). Спонтанное излучение - излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое. Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

Метастабильные состояния: различные возбужденные состояния атома отличаются не только энергией, но и временем жизни. Состояния атома с особенно большим временем жизни называют метастабильными. Именно эти состояния используют при работе лазера. Оказавшись в метастабильном состоянии, атом надолго «застревает» в нем, благодаря этому в метастабильном состоянии с одной и той же энергией может скопиться очень много атомов. Если заставить теперь эти атомы одновременно излучить фотоны, излучение будет чрезвычайно интенсивным и, к тому же, будет иметь определенную частоту.

Индуцированное (вынужденное) излучение: в 1916 году Эйнштейн предсказал, что возбужденный атом может излучать под действием падающего на него света (СЛАЙД 7). Он также доказал, что если на атом падает свет, частота которого совпадает с частотой света, который этот атом может излучать, вероятность излучения значительно увеличивается. Индуцированное излучение - излучение атома, возникающее при его переходе на более низкий энергетический уровень под действием внешнего электромагнитного излучения. Замечательная особенность вынужденного излучения состоит в том, что излученный фотон имеет точно такую же частоту и направление движения, что и падающий на атом фотон. Если в данной среде много атомов находятся в возбужденном состоянии с одной и той же энергией, излученные фотоны будут в свою очередь вынуждать другие атомы излучать точно такие же фотоны. И в результате интенсивность излучения может лавинообразно нарастать. На этом и основан принцип действия лазеров [3, с. 340, 341].

• Принцип действия лазера.

Квантовые генераторы.

Учитель:

«Запустить» лавину вынужденного излучения можно и без внешнего излучения: фотон, спонтанно излученный одним из атомов среды, вынудит другой атом излучить такой же фотон, затем два этих фотона вынудят еще два атома излучить еще два таких же фотона и так далее. При этом может возникнуть лавинообразный процесс (СЛАЙД 8). На этом основано действие квантовых генераторов.

Вынужденное излучение для генерирования электромагнитных волн впервые использовали в 1954 году советские физики Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров, а также американский физик Чарльз Таунс, за что эти ученые были удостоены Нобелевской премии [4, с. 156].

Ученик: сообщение №2 «Николай Геннадиевич Басов - отец лазера и мазера»[5, с. 408 - 410].

• Основные компоненты лазера. (СЛАЙД 9)

Учитель:

Основными компонентами лазера являются:

1. активная среда - в ней создаются состояния с инверсной заселенностью - такая среда, в которой число электронов на уровне с более высокой энергией больше, чем на уровне с более низкой;

2. система накачки - устройство для создания инверсии в активной среде;

3. оптический резонатор - устройство, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок.

Трехуровневый лазер.

Учитель:

При создании лазера часто используют систему трех энергетических уровней атома, среди которых средний уровень является метастабильным, а нижний соответствует основному состоянию атома (СЛАЙД 10).

Для того чтобы вынужденное излучение действительно походило на лавину, необходимо, чтобы как можно больше атомов, находящихся в метастабильном состоянии, «почувствовали» падающее на них излучение. А для этого нужно продлить время пребывания излучения внутри вещества. Рассмотрим, как это делается, на примере рубинового лазера.

Кристалл рубина состоит из атомов алюминия и кислорода с небольшой примесью атомов хрома - они придают рубину его благородный цвет, а так же обладают системой трех энергетических уровней, средний из которых является метастабильным. Из рубинового кристалла вытачивают стержень (со строго параллельными торцами) и навивают на него трубку газоразрядной лампы, которую называют лампой накачки (СЛАЙД 11). Под действием света лампы накачки атомы хрома переходят с основного уровня 1 на уровень 3, а затем - на метастабильный уровень 2. Переходы на этот уровень обусловлены в основном передачей энергии кристаллической решетке.

В результате этих переходов на метастабильном уровне 2 скапливается большое число атомов, то есть возникает «перенаселенность» метастабильного уровня 2.

Среду, в которой самым населенным является один из возбужденных уровней атома, называют активной. Такая среда обладает запасом энергии, который делает возможным лавинообразный процесс вынужденного излучения.

Но создать активную среду еще недостаточно: если вынужденно излученные фотоны сразу же вылетят из нее, лавина не возникнет. Для ее возникновения надо задержать излученные фотоны в среде. Для этого надо продлить путь фотонов с помощью отражения. С этой целью параллельные торцы кристалла покрывают тонким слоем серебра, делая их зеркальными. Отражаясь от торцов, фотоны, летящие вдоль кристалла, проходят через кристалл многократно - туда и обратно. При этом вследствие вынужденного излучения их число лавинообразно увеличивается, в результате чего в кристалле быстро нарастает излучение, направленное вдоль оси кристалла (СЛАЙД 12).

Чтобы выпускать часть этого излучения наружу, один из зеркальных торцов делают частично прозрачным. Выходящее из этого торца излучение и представляет собой луч лазера.

Таким образом, все вылетающие из лазера фотоны имеют одинаковую частоту и одно и то же направление. Именно эти качества и отличают излучение лазера от всех других видов излучений [3, с. 342 -344; 4, с. 156 - 158].

• Классификация лазеров. (СЛАЙД 13-15)

Учитель:

1. по типу активной среды: твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые;

2. по методам накачки: оптические, тепловые, химические, электроионизационные и другие;

3. по режиму генерации: непрерывного или импульсного действия.

Ученик: сообщение №3 «Классификация лазеров» [6, с. 313, 314; 7, с. 25, 26].

• Применение лазеров. (СЛАЙД 16-17)

Учитель:

У лазерного излучения есть три особенности, которые дают возможность применять его в различных областях науки и техники:

• лазер излучает световую энергию на одной частоте и длине волны, что дает возможность создать узконаправленные и сфокусированные лучи;

• лазерное излучение обладает очень высокой стабильностью, оно распространяется без изменений на многие километры;

• лазерное излучение имеет очень высокую температуру, достигающую миллионов градусов [2, с. 136].

Группа учащихся: сообщение №4 «Лазерные технологии» [8]; сообщение №5 «Применение лазера» [9, с. 111 - 121; 10, с. 194 - 201]; совместная презентация «Профессии лазера».

4. Закрепление учебного материала.

Беседа с учащимися по вопросам:

Что такое спонтанное и вынужденное излучение?

Каковы свойства фотонов, излучаемых при вынужденном излучении?

Что такое квантовый генератор?

Какие квантовые генераторы называются лазерами?

Каков принцип действия трехуровневого лазера?

5. Подведение итогов урока.

6. Домашнее задание: § 22 [4], задачник: I уровень - № 13.12, 13.13;

II уровень - № 13.25,13.26;

III уровень - № 13.30.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. «Оптика, рожденная лазером». Материалы студенческой научной конференции. - Физика-ПС, 2011, №8.

2. Левин В.И. Русские ученые XX века. - М.: ООО «РОСМЭНИЗДАТ», 2004. - 272 с. - (Великие русские).

3. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учебник для общеобразовательных учреждений. - 3-е изд., дораб. - М.: Дрофа, 2003. - 416 с.

4. Генденштейн Л.Э. Физика. 11 класс. В 2 ч. Ч. 1. Учебник для общеобразовательных учреждений (базовый уровень) / Л.Э. Генденштейн, Ю.И. Дик. - М.: Мнемозина, 2009. - 272 с.

5. Воронежцы: знаменитые биографии в истории края / ред.-сост. Ю.Л. Полевой. - Воронеж: Карта, 2007. - 520 с.

6. Физика. Справочник школьника и студента / Под ред. проф. Р. Гебеля; Пер. с нем. - М.: Дрофа, 1999. - 368 с.

7. Фокин А.В. Изучение лазерного излучения. - Физика-ПС, 2009, №8.

8. Ресурсы Интернет.

9. Кузнецов В.И. Свет. - М.: Педагогика, 1977. - 128 с. - (Библиотечка Детской энциклопедии «Ученые - школьнику»).

10. Колтун М.И. Мир физики: Научно-художественная литература / Оформление Б. Чупрыгина. - 2-е изд. - М.: Дет. лит., 1987. - 271 с.

Сообщение №1 на тему: «История создания лазеров».

Существование явления вынужденного излучения - физической основы работы любого лазера - было предсказано в 1916 году А. Эйнштейном. Строгое теоретическое обоснование в рамках квантовой механики это явление получило в работах П. Дирака в 1927 - 1930 г.г.

1928 год - экспериментальное подтверждение Р. Ладенбургом и Г. Копферманном существования вынужденного излучения.

Следующая крупная теоретическая работа была выполнена советскими учеными в 1940 году В. Фабрикантом и Ф. Бутаевой - они предсказали возможность использования вынужденного излучения среды для усиления электромагнитного излучения.

1950 год - А. Кастлер (Нобелевская премия по физике 1966 года) предлагает метод оптической накачки среды для создания в ней инверсионной населенности. Реализован на практике в 1952 году Бросселем, Кастлером и Винтером. До создания квантового генератора остался один шаг: ввести в среду положительную обратную связь, то есть поместить эту среду в резонатор.

Предсказание Фабриканта было реализовано в 1954 году советскими учеными А. Прохоровым и Н. Басовым на молекулярных квантовых усилителях (мазерах, работавших при низких температурах и в СВЧ-диапазоне). В 1964 году они и Ч. Таунс (американский ученый, первым, в 1953 году, получивший когерентный микроволновой пучок, 1954 год - первый микроволновой генератор - мазер на аммиаке) были удостоены Нобелевской премии по физике.

Для усиления электромагнитного излучения оптического диапазона необходимо было создать объемный резонатор, размеры которого были бы порядка микрона. Из-за связанных с этим технологических трудностей многие ученые считали, что это невозможно. Настоящим прорывом оказалось предложение А. Прохорова использовать для усиления излучения открытый резонатор - резонатор Фабри-Перо.

Первый работающий в импульсном режиме лазер был получен Теодором Мейманом в мае 1960 года в исследовательской лаборатории компании Хьюза, штат Калифорния (США) с привлечением групп Таунса из Колумбийского Университета и Шалоу из компании Bell laboratories. В декабре того же года был создан гелий-неоновый лазер, излучающий в непрерывном режиме (А. Джаван, У. Беннет, Д. Хэрриот).

В 1961 году был создан лазер на неодимовом стекле, а в течение следующих пяти лет были разработаны лазерные диоды, лазеры на красителях, лазеры на двуокиси углерода, химические лазеры.

В 2000 году за разработку в 1963 году полупроводниковых гетероструктур, легших в основу миниатюрных лазеров, способных работать при комнатной температуре, Нобелевская премия по физике была присуждена Ж. Алферову (Россия) и Г. Кремеру (Германия).

Сообщение №2 на тему:

«Николай Геннадиевич Басов - отец лазера и мазера».

Николай Геннадиевич Басов (1922 - 2001) - нобелевский лауреат, «отец лазера».

Он родился 14 декабря 1922 года в семье ученого-лесовода в «полуворонежском» городе Усмани, который теперь относится к Липецкой области. Геннадий Федорович Басов (тоже уроженец Усмани) снискал в Воронеже славу продолжателя дела профессора Докучаева, изучавшего влияние лесополос на почву и подземные воды. Семья жила там, где работал отец - в городке сельскохозяйственного института. Воронеж дал Николаю то, что было необходимо впоследствии для «открытия века».

Он окончил воронежскую школу №13, позднее здесь была построена новая школа №58, у которой сложился стойкий имидж «математической школы». Теперь бывшая 58-я именуется гимназией имени Басова при ВГУ. До 13-й школы в жизни Н. Басова была другая воронежская школа - №1 (ныне 11-я), где он проучился восемь лет. Отличник учебы Николай Басов проявлял неординарные способности. Занимался в кружке юных техников, его работы завоевывали различные призы и грамоты и выставлялись даже на ВДНХ.

Басов окончил 10-й класс в роковом 1941 году и сразу был призван в армию, на войну… Судьба уберегла от пуль будущего гения.

После демобилизации в 1946 году он становится студентом столичного механического института (теперь Московский инженерно-физический институт, МИФИ), там же в 1950 году поступает в аспирантуру.

Еще в 1948 году начинает работать лаборантом в судьбоносном для него Физическом институте имени П.К. Лебедева Академии наук СССР (ФИАН). Работая вместе с другими молодыми физиками под руководством А.М. Прохорова, он сближается с этим ученым, возникает их плодотворное сотрудничество, которое приводит к мировым высотам.

Часто в науке над великими открытиями и изобретениями одновременно ломают головы в лабораториях сразу несколько научных школ в разных странах. По вопросу о том, кто первым придумал лазер, мнения авторов разных книг не всегда совпадают. В 1960 году американцем Мейманом был запущен первый рубиновый лазер. Но этому событию предшествовала большая теоретическая работа советских и американских ученых. Открытие, опубликованное в том же 1960 году, совершил американец Джаван. Между тем это открытие сделали еще в 1957 году наши физики, но работа вышла в печати позднее, и она не привлекла внимание ученых Запада. А Басов и его коллеги параллельно проделали математический анализ условий, при которых возникает желаемое излучение. И эта работа опубликована в знаменательном 1960 году вскоре после открытия Джавана…

В 1964 году очередная Нобелевская премия объединила русских с американцем Чарльзом Таунсом. Н.Г. Басову, А.М. Прохорову и Ч. Таунсу присудили премию «за фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию генераторов и усилителей, основанных на лазерно-мазерном принципе».

В буквальном переводе аббревиатура LASER означает усиление света с помощью вынужденного излучения (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). А мазер (термин, заимствованный из американской литературы у Таунса) означает подобные же квантовые генераторы, но не светового излучения, а радиодиапазона волн. Если с лазером нашим физикам в чем-то «не повезло», их опередили публикациями, то уж создателем мазера призван именно Н.Г. Басов.

Если следовать биографии Басова, то еще в 1954 голу они с Прохоровым разработали первый в мире квантовый генератор, и именно это стало началом целой эпохи в физике, во всяком случае, в нашей стране. В следующем году Басов и Прохоров пошли еще дальше: они предложили эффективный метод «селективной накачки электромагнитным излучением трехуровневой системы», на основе которой действуют практически все современные лазеры.

В 1961 году наш гениальный земляк выдвинул идею нового, лазерного подхода к проблеме термоядерного синтеза и начал исследования для создания необходимой лазерной и мишенной техники. В 1971 году он создает установку «Кальмар», в 1981 году запускает термоядерный «Дельфин-1». Вместе с врачами проектирует множество лазерных медицинских приборов, без которых современная хирургия немыслима.

«Басов был самым талантливым из моих учеников, сказал в интервью газете «Известия» академик Александр Прохоров. - После «Нобеля» он сильно вырос, развивал свое перспективное направление «лазерный термояд»».

В 1954 году Н.Г. Басов стал кандидатом наук, защитив диссертацию «Определение ядерных моментов радиоспектроскопическим методом», в 1957 году ему присвоили докторскую степень за диссертацию «Молекулярный генератор». В 1958 году ученый уже занял должность заместителя директора ФИАН, а в 1959-м получил Ленинскую премию. В 1973 - 1989 годах работал директором ФИАН. В 1982 - 1989 годах был членом Президиума Верховного Совета СССР. Помимо двух звезд Героя Социалистического Труда (1969, 1982), получил пять орденов Ленина, а в 1989 году - Государственную премию СССР.

Власти не забыли об «отце лазера» и после развала СССР. С 1991 года он работал в Экспертном совете при Председателе Правительства России.

Сообщение №3 на тему: «Классификация лазеров».

Твердотельные лазеры - накопителем энергии (активной средой) является кристалл, возбуждение происходит оптическим путем (рубиновый лазер).

Жидкостные лазеры - накопителем энергии является, например, органические молекулы, растворенные в воде. Возбуждение происходит оптическим путем.

Газовые лазеры - накопителями энергии являются, например, смеси инертных газов (гелий-неоновый лазер). Возбуждение происходит электронными ударами. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения.

В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами, газодинамические и химические лазеры.

По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных, вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры.

Полупроводниковые лазеры - накопителем энергии является полупроводник. Излучение генерируется в результате квантовых переходов между разрешенными энергетическими зонами. Наибольшее распространение получили инжекционные лазеры, в которых накачка достигается путем инжекции (впрыскивания) носителей заряда в активную область.

Лазеры на красителях - тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор флюоресцирующих с образованием широких спектров органических красителей. Лазерные переходы осуществляются между различными колебательными подуровнями первого возбужденного и основного синглетных электронных состояний. Накачка оптическая, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Основной особенностью является возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне.

Волоконный лазер - лазер, резонатор которого построен на базе оптического волокна, внутри которого полностью или частично генерируется излучение.

Лазеры непрерывного действия - они постоянно испускают лазерное излучение (например, гелиево-неоновый лазер).

Импульсные лазеры - испускают кратковременно лазерное излучение большой мощности (например, рубиновый лазер).

Сообщение №4 на тему: «Лазерные технологии».

Слово "лазер" представляет собой абревиатуру английской фразы "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", переводимой как усиление света в результате вынужденного (индуцированного) излучения. Гипотеза о существовании индуцированного излучения была высказана в 1917 г. А Эйнштейном. Советские ученые Н.Г. Басов и A.M. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длинной волны 1=1,27 см.

Чтобы создать лазер или оптический квантовый генератор - источник когерентного света необходимо:

1. рабочее вещество с инверсной населенностью. Только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов.

2. рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляют обратную связь.

3. усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от
   коэффициента отражения полупрозрачного зеркала.

Первым квантовым генератором был рубиновый твердотельный лазер. Также были созданы: газовые, полупроводниковые, жидкостные, газодинамические, кольцевые (бегущей волны).

Лазеры нашли широкое применение в науке - основной инструмент в нелинейной оптике, когда вещества прозрачные или нет для потока обычного света меняют свои свойства на противоположные.

Лазеры позволили осуществить новый метод получения объемных и цветных изображений, названный голографией.

Лазеры широко применяются в медицине, особенно в офтальмологии, хирургии и онкологии, способные создать малое пятно, благодаря высокой монохроматичности и направленности. В офтальмологии лазерное излучение с энергией 0,2 - 0,3 дж позволяет осуществлять ряд сложных операций, не нарушая целостности самого глаза. Одной из таких операций является приварка и укрепление отслоившейся сетчатки с помощью коагуляционных спаек. Кроме того, лазерный луч применяется для выжигания злокачественных и доброкачественных опухолей. В хирургии сфокусированный световой луч непрерывного лазера (мощностью до 100 Вт) служит чрезвычайно острым и стерильным скальпелем, осуществляющим бескровные операции даже на печени и селезенке. Весьма перспективно использование непрерывных и импульсных лазеров для прижигания ран и остановки кровотечений у больных с пониженной свертываемостью крови.

Лазерная обработка металлов. Возможность получать с помощью лазеров световые пучки высокой мощности до 10¹² -10¹⁶ вт/см² при фокусировки излучения в пятно диаметром до 10-100 мкм делает лазер мощным средством обработки оптически непрозрачных материалов, недоступных для обработки обычными методами (газовая и дуговая сварка). Это позволяет осуществлять новые технологические операции, например, просверливание очень узких каналов в тугоплавких материалах, различные операции при изготовлении пленочных микросхем, а также увеличения скорости обработки деталей. При пробивании отверстий в алмазных кругах сокращает время обработки одного круга с 2-3 дней до 2 мин. Наиболее широко применяется лазер в микроэлектронике, где предпочтительна сварка соединений, а не пайка. Основные преимущества: отсутствие механического контакта, возможность обработки труднодоступных деталей, возможность создания узких каналов, направленных под углом к обрабатываемой поверхности.

Лазерная связь и локация. По сравнению с существующими средствами радиосвязи и радиолокации лазерные обладают двумя основными преимуществами: узкой направленностью передачи и широкой полосой пропускания передаваемых частот. Сам лазер создает, направленный луч (расходимостью ~10'), а применение оптической системы позволяет сформировать еще более параллельный луч (расходимостью ~2-3"). Один лазерный луч позволяет передавать сигнал в полосе частот -100 Мгц. Это дает возможность одновременной передачи 200 телевизионных каналов.

Первые сведения о применении лазерной локации относятся к 1962 г., когда была осуществлена локация Луны. Увеличение мощности, излучаемой лазером, сделает возможным картографирование поверхности Луны с Земли с высокой точностью (около 1,5 м). Лазерная локация применяется также в геофизике для определения высоты облаков, исследовании инверсионных и аэрозольных слоев в атмосфере, турбулентности и т.п.

Лазерные системы навигации и обеспечения безопасности полетов. Одним из основных элементов инерциальных систем навигации, широко используемых в авиации, являются гироскопы, которые в основном и определяют точность системы. Лазерные гироскопы обладают достаточно высокой точностью, большим диапазоном измерения угловых скоростей, малым собственным дрейфом, невосприимчивостью к линейным перегрузкам. Лазеры успешно применяются как измерители скорости полета (воздушной и путевой), высотомеры. Лазерные курсоглиссадные системы обеспечивают безопасность полетов. Связанную с увеличением точности систем посадки, снижения ограничений по метеоусловиям, обеспечением больших удобств работы экипажа при выполнении такого ответственного участка полета, как посадка. В близи взлетно-посадочного полотна установленные лазерные лучи создают геометрическую картину, позволяющую судить о правильности выдерживания траектории посадки.

Лазерные системы управления оружием резко повысили точность попадания. Лазерная полуактивная система наведения состоит из лазерного целеуказателя (лазерной системы подсвета цели) и боеприпаса с лазерной головкой самонаведения.

Сообщение №5 на тему: «Применение лазеров».

В истории известны случаи, когда писатель-фантаст предугадывал создание технических устройств. Жуль Верн придумал подводную лодку «Наутилус» и полет «из пушки на Луну». Так и Алексей Николаевич Толстой в своем знаменитом научно-фантастическом романе «Гиперболоид инженера Гарина», опубликованном в 1925 году, предугадал лазер задолго до его появления. «В природе не существует ничего, что могло бы сопротивляться силе «лучевого шнура»… Здания, крепости, дредноуты, воздушные корабли, скалы, горы, кора земли - все пронижет, разрушит, разрежет мой луч…». Во время написания романа автору оказывал помощь известный русский физик П.П. Лазарев.

Лазер - оптический квантовый генератор, источник излучения с большой плотностью энергии. Рассмотрим историю создания этого фантастического устройства, оказавшего влияние на развитие науки и техники XX века.

А. Эйнштейн в 1916 году первым обосновал возможность получать лазерное излучение. В 1927 - 1933 годах П. Дирак создал квантово-механическую теорию такого излучения.

Сначала появился мазер - квантовый генератор сверхвысоких частот (СВЧ). Теория молекулярного генератора - мазера была создана в начале 1950-х годов американским физиком Ч. Таунсом и советскими физиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым. Первые модели мазеров на молекулах аммиака они создали в 1954 - 1956 годах и были награждены за эту работу Нобелевской премией по физике в 1964 году.

А первый лазер - квантовый оптический генератор - создал американский ученый Г. Мейман в 1960 году на кристалле рубина. В том же году американские физики А. Джаван, В. Беннет и Д. Эрриот создали газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. А позднее были разработаны и другие виды лазеров: жидкостные, химические и самый миниатюрный - полупроводниковый, предложенный Н.Г. Басовым в 1962 году.

У лазерного излучения есть три особенности, которые дают возможность применять его в различных областях науки и техники:

• лазер излучает световую энергию на одной частоте и длине волны, что дает возможность создать узконаправленные и сфокусированные лучи;

• лазерное излучение обладает очень высокой стабильностью, оно распространяется без изменений на многие километры;

• лазерное излучение имеет очень высокую температуру, достигающую миллионов градусов.

В силу уникальных свойств излучения лазеров, они нашли широкое применение во многих отраслях науки и техники, а также в быту.

Лазерным лучом невысокой мощности сверлят тончайшие отверстия любой формы, например в рубиновых и алмазных камнях для часов. С помощью лазерного скальпеля делают хирургические операции. Разрезая кровеносные сосуды, луч лазера одновременно «сваривает» их и останавливает кровотечение. Лазерным лучом делают тончайшие глазные операции для лечения офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения). С помощью лазерной терапии лечат самые различные болезни. В микроэлектронике с помощью маломощных лазеров режут, сваривают и маркируют миниатюрные детали, выжигая на них цифры и буквы.

Запись и считывание лазерных компакт-дисков осуществляется с помощью миниатюрных полупроводниковых лазеров.

Мощные лазеры используют для фигурной резки и сварки толстых стальных листов, мрамора, гранита, раскройки самых различных тканей и кож. При этом не требуется применять вакуумные камеры (как при электронно-лучевой сварке), и получается высокое качество шва.

Лазеры применяются в голографии для получения объемного изображения предмета, который при этом можно рассматривать с разных сторон.

С помощью лазерного луча измерено расстояние от Земли до Луны и других планет с точностью… до нескольких сантиметров! Лазерная локация космических объектов уточнила значение астрономической постоянной и способствовала уточнению систем космической навигации, расширила представления о строении атмосферы и поверхности планет Солнечной системы. В астрономических телескопах, снабженных адаптивной оптической системой коррекции атмосферных искажений, лазер применяют для создания искусственных опорных звезд в верхних слоях атмосферы.

Лазер применяется в так называемой оптоволоконной связи, позволяющей без промежуточного усиления передавать информацию на тысячи и десятки тысяч километров - по дну океанов и через континенты.

В 2001 году в нашей стране вдоль линий железных дорог проложена система оптоволоконной связи. Эта система позволяет не только управлять железными дорогами страны, но и передавать по ней самую различную информацию - многочисленные телефонные разговоры, телевизионные передачи.

Разрабатывается и мощное лазерное оружие для защиты от ракетно-ядерного нападения.

Наконец, с помощью мощного лазерного излучения ученые нагревают плазму до температуры в миллионы градусов для осуществления управляемой термоядерной реакции в термоядерных реакторах.

ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ К УРОКУ

Лазер

(оптический квантовый

генератор)

- устройство, генерирующее монохроматические когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного излучения активной среды. Первый квантовый генератор (мазер) был создан в 1954 г. советскими физиками Прохоровым и Басовым и независимо от них американским физиком Таунсом. Первый лазер был создан в 1960 г. американским ученым Мейманом.

Спонтанное (самопроизвольное) излучение

- испускание атомом кванта электромагнитного излучения (фотона) в результате самопроизвольного перехода электрона из возбужденного состояния в основное.

Индуцированное (вынужденное) излучение

- переход электрона из возбужденного состояния в основное под воздействием электромагнитного излучения ( в результате стимуляции фотоном с энергией hν ).

Фотон «катализатор» попадает в возбужденный электрон и, стимулируя его переход в основное состояние, не теряет своей энергии. Из атома испускаются два фотона с энергией hν.

Метастабильный энергетический уровень

- энергетический уровень, на котором среднее время жизни возбужденного электрона много больше времени жизни этого электрона на других уровнях.

Среднее время жизни электрона

- среднее время пребывания электрона на данном энергетическом уровне.

Нормальная заселенность

- состояние системы, при котором число атомов в основном состоянии больше, чем их число в возбужденных состояниях.

Инверсная заселенность

-состояние системы, при котором число атомов в возбужденных состояниях больше, чем их число в основном состоянии.

Основные компоненты лазера

1. активная среда - в ней создаются состояния с инверсной заселенностью - такая среда, в которой число электронов на уровне с более высокой энергией больше, чем на уровне с более низкой;

2. система накачки - устройство для создания инверсии в активной среде;

3. оптический резонатор - устройство, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок.

Классификация лазеров.

1. по типу активной среды: твердотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые;

2. по методам накачки: оптические, тепловые, химические, электроионизационные и другие;

3. по режиму генерации: непрерывного или импульсного действия.

Свойства лазерного излучения

1. временная и пространственная когерентность;

2. строгая монохроматичность (∆λ<10^-11м);

3. большая плотность потока энергии;

4. очень малое угловое расхождение в пучке.

Применение лазеров.

-лазерное излучение используют для передачи информации; для связи, особенно в космосе; для точного определения расстояний;

- лазеры используют для трассировки туннелей, для геодезических измерений, для определения курса и скорости кораблей, самолетов, ракет;

- лазеры используют в голографии для получения объемных изображений предметов;

-с помощью лазеров производят точечную сварку, изготавливают микросхемы;

- в медицине главной областью применения лазеров является хирургия, лазерные пучки используют для разрезания, сшивания и для стерилизации живых тканей, для приваривания отслоившейся сетчатки глаза;

- с помощью лазерного излучения можно вызывать химические реакции, которые не происходят в обычных условиях;

- мощные лазерные пучки используются для осуществления управляемых термоядерных реакций.