Лазери
АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА
УРОК 4/53
Тема. Лазери
Мета уроку: ознайомити учнів із принципом дії квантових джерел світла.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
ПЛАН УРОКУ
Контроль знань | 3 хв. | 1. Квантові постулати Бора. 2. Спектральний аналіз. 3. Атомні спектри й теорія Бора |
Демонстрації | 5 хв. | Відео-фрагменти фільму “Квантові генератори” |
Вивчення нового матеріалу | 27 хв. | 1. Спонтанне й вимушене 2. Квантові генератори. 3. Трирівневий лазер. 4. Застосування лазерів |
Закріплення вивченого матеріалу | 10 хв. | 1. Навчаємося розв’язувати задачі. 2. Контрольні питання |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Спонтанне й вимушене випромінювання
У збудженому стані атом може перебувати лише протягом незначного проміжку часу, після чого мимовільно (спонтанно) переходить в основний стан, випромінюючи при цьому квант світла. Це випромінювання відбувається за відсутності зовнішнього впливу на атом і обумовлено лише нестійкістю його збудженого
Якщо жодного впливу на атом не виявлено, то час його перебування в збудженому стані близько 10-8 с. Якщо ж атом піддається зовнішньому впливу, то час життя його збудженого стану скорочується й виникає випромінювання, яке називають вимушеним, або індукованим.
Поняття про вимушене випромінювання було уведено 1916 року Альбертом Ейнштейном. Це випромінювання відбувається в результаті впливу на збуджений атом кванта світла, частота якого збігається із частотою його мимовільного випромінювання. Атом при цьому переходить на більш низький енергетичний рівень, і до первинного фотона додається ще один фотон, який нічим не відрізняється від першого. Таким чином, випромінювання, що падає на атом, “подвоюється”: до атома “приходить” один фотон, а “йдуть” два точно таких саме (тобто їхні частоти й напрямки руху збігаються). Тому в активному середовищі, де багато атомів перебувають у цьому самому збудженому стані, випромінені фотони будуть, у свою чергу, “змушувати” інші атоми випромінювати точно такі ж фотони. У результаті інтенсивність випромінювання може лавино-подібно збільшуватися. Посилення падаючої хвилі, обумовлене вимушеним випромінюванням, уперше спостерігав на досліді російський фізик В. А. Фабрикант 1939 року.
2. Квантові генератори
“Запустити” лавину вимушеного випромінювання може фотон, спонтанно випромінений яким-небудь атомом цього ж середовища: цей фотон “змусить” інший атом випроменити такий самий фотон, потім два однакових фотони “змусять” ще два атоми випроменити ще два таких самих фотони й так далі. У результаті (без зовнішнього випромінювання) може розвинутися лавиноподібний процес, що призводить до надзвичайно інтенсивного випромінювання за рахунок “запасу енергії” атомів, що перебувають у метастабільному стані. На цьому заснована дія квантових генераторів, які сьогодні широко використовують у техніці, медицині, побуті, засобах зв’язку.
O Оптичні квантові генератори, випромінювання яких перебуває у видимій та інфрачервоній області спектра, називаються лазерами.
За інтенсивністю випромінювання лазери набагато перевершують всі інші види джерел випромінювання.
3. Трирівневий лазер
Під час роботи лазера часто використовують систему трьох енергетичних рівнів атома, з яких верхній рівень – з часом життя близько 10-7 – 10-8 с, середній рівень – метастабільний, з часом життя близько 10-3 с, а нижній рівень відповідає основному стану атома.
Далі рекомендовано розглянути як приклад принцип дії рубінового лазера.
4. Застосування лазерів
Лазери відіграють значну роль у сучасному науково-технічному прогресі. їхнє випромінювання має унікальні й дуже цінні властивості, які забезпечили їм широке застосування в найрізноманітніших галузях науки, техніки, медицини й т. ін. Якість лазерної енергії визначається її високою концентрацією й можливістю передання на значну відстань. Лазерний промінь можна сфокусувати в крихітну цятку діаметром, порівнянним із довжиною світлової хвилі, й одержати густину енергії, що перевищує вже на сьогоднішній день густину енергії ядерного вибуху. За допомогою лазерного випромінювання вже вдалося досягти найвищих значень температури, тиску, магнітної індукції. Нарешті, лазерний промінь є найбільш містким носієм інформації й у цій ролі – принципово новим засобом її передання й обробляння.
За допомогою лазерів удалося створити тривимірні зображення, які називаються голографічними. Розглядаючи голограму під різними кутами, ви можете бачити зображений на ній предмет різнобічно: наприклад, на голограмі (на відміну від фотографії) можна “зазирнути” за предмети, розташовані на передньому плані.
Принцип дії лазера використовують також під час створення еталонів часу, тобто найбільш точних годинників: похибка ходу таких годинників – не більше однієї секунди за 30000 років.
ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Перший рівень
1. Чим відрізняється випромінювання лазера від випромінювання лампи накалювання?
2. Охарактеризуйте основні особливості лазерного випромінювання.
3. Назвіть основні галузі застосування лазерів.
4. Як використовують лазери в різних галузях науки, техніки й медицини?
Другий рівень
1. Яке середовище називають активним?
2. Що можна сказати про фотони, які входять до складу пучка лазерного випромінювання?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1. Атоми Хрому в рубіновому лазері утворюють як спонтанне, так і вимушене випромінювання. Які характеристики цих випромінювань збігаються, а які – ні?
2. Чим відрізняється метастабільний стан від стабільного?
3. Яку роль у роботі лазера відіграють метастабільні рівні атомів?
2). Навчаємося розв’язувати задачі
1. Скільки фотонів випускає за півгодини лазер, якщо потужність його випромінювання 2 мВт? Довжина хвилі випромінювання 750 нм.
2. Чому під час використання вимушеного випромінювання вдається одержати практично не розбіжний світловий пучок?
ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ
– Оптичні квантові генератори, випромінювання яких лежить у видимій і інфрачервоній області спектра, називаються лазерами.
– Властивості лазерного випромінювання:
1) малий кут розбіжності пучка світла;
2) виняткова монохроматичность;
3) найпотужніші джерела світла;
4) ККД близько 1 %.
Домашнє завдання
1. Підр.: § 28 (п. 2).
2. 3б.:
Рів1 № 16.5; 16.7; 16.8.
Рів2 № 16.13; 16.15.
3. Д: підготуватися до самостійної роботи № 12.
