Лазеры. Лекция Физика. 11 класс
![]()
|
10–13 с).Лекция Физика. 11 класс. Лазеры Изучив строение атома, мы можем понять, как устроены лазеры. Лазеры очень широко используются в науке и технике, поэтому, понимание того, как они работают — это не только важный, но и насущный вопрос. Именно этот его мы и обсудим. «Лазер – это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч…. Лазерный луч является самым ёмким носителем информации и в этой роли – принципиально новым средством её передачи и обработки» Н. Басов Что такое лазерный луч? Как работает лазер? Ответы на эти вопросы будут даны в этой теме. Квантовая механика зародилась после того, как Нильс Бор постулировал свои соображения относительно модели атома водорода. Первый постулат говорит о том, что существуют особые, стационарные состояния атома, находясь в которых, атом не излучает энергию, при этом, электроны в атоме движутся с ускорением. Второй постулат Бора гласит, что излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний. Низший энергетический уровень – это основное состояние атома, а все остальные состояния называются возбужденными. В возбужденном состоянии электрон может находиться очень недолго ( Такие свойства открывают большие возможности. Надо сказать, что ещё в 1940 году Валентин Фабрикант доказал, что индуцированное излучение может быть использовано для усиления электромагнитных волн. Тем не менее, лишь в 1954 году, Николай Басов и Александр Прохоров создали микроволновой генератор радиоволн. Такой же генератор, независимо от них получил Чарльз Таунс. Это был принципиально новый способ усиления электромагнитных волн. ![]() ![]() Тем не менее, двух уровней энергии было недостаточно, поскольку каким бы мощным ни был внешний источник энергии, число возбужденных атомов не превышало число невозбужденных. Но, уже в 1960 году была создана так называемая трёхуровневая система. Эта система и по сей день является основой для создания лазеров. Дело в том, что время, в течение которого атом может находиться на том или ином энергетическом уровне, неодинаково. На сегодняшний день, трехуровневая система с успехом используется в рубиновых лазерах (потому что в рубине имеются необходимые энергетические уровни). В рубине содержится небольшая примесь атомов хрома, которые и подвергаются процессу индуцированного излучения. ![]() На рисунке изображены три состояния: основное состояние с энергией ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() В рубиновом лазере используется газоразрядная лампа. Она имеет спиралевидную форму и как бы окутывает кристалл рубина. Кратковременный импульс тока, который подается от батареи конденсаторов с большой емкостью, вызывает яркую вспышку лампы. Далее происходит процесс, который мы описывался ранее. Атомы переходят на уровень три, но находятся там очень недолго, и переходят на уровень два, где находятся значительно дольше. После этого, в результате самопроизвольных переходов с уровня два на уровень один, получается мощный лазерный луч. Существуют множество других типов лазеров (их пробовали создавать буквально из чего угодно). Наиболее приемлемыми оказались газовые лазеры на основе гелия и неона. Эти лазеры испускают волны длиной 632,8 нм. Соответственно, частота такого излучения составляет порядка 4,75×1014 Гц. Также применяются инфракрасные лазеры на основе углекислого газа. Еще один тип лазеров – это полупроводниковые лазеры, преимущество которых состоит в том, что они могут регулировать частоту излучения и, соответственно, длину волны. Кроме того, как выяснилось, полупроводниковые лазеры наиболее дешевые. Лазеры получили довольно широкое применение в науке и технике. В первую очередь, лазеры используются в экспериментах по оптике. Лазеры используются для хранения информации (наверное, все слышали такое словосочетание как «лазерный диск»). Огромная мощность лазерного излучения часто используется для сварки и резки металлов или стимуляции испарения различных материалов. Кроме этого, лазеры используются в медицине: ярким примером такого использования является микрохирургия глаза. В перспективе лазерный луч может применяться как средство связи, особенно в космическом пространстве. Лазерный луч может проходить огромные расстояния за очень малое время, при этом практически не рассеиваясь. Это может существенно облегчить работы, связанные с космическими исследованиями. Наконец, лазеры могут помочь осуществить управляемую термоядерную реакцию (об этом упоминалось в курсе физики 9 класса). Суть лазерного термоядерного синтеза состоит в следующем: замороженную смесь дейтерия и трития подвергают равномерному и мощному облучению со всех сторон. В результате этого, давление внутри шариков колоссально возрастает, что приводит к увеличению плотности и сильному нагреванию вещества, и начинается термоядерная реакция. Основные выводы: – Лазер – это устройство, в котором любые типы энергий преобразуются в энергию узконаправленного потока излучения. Лазеры способны создавать практически не рассеивающиеся пучки света огромной мощности. – К наиболее распространённым типам лазеров относятся рубиновые лазеры, газовые лазеры и полупроводниковые лазеры. Работа лазеров основана на вынужденном, то есть индуцированном излучении. – Индуцированным излучением называется излучение, испускаемое возбужденными атомами в результате воздействия света на них. – На сегодняшний день, одной из наиболее эффективных систем является трехуровневая система. В ней фотоны переходят с первого уровня на третий, где могут находиться в течение значительно меньшего времени, чем на втором энергетическом уровне. Таким образом, возникает мощное излучение, при переходе атомов со второго уровня на первый. – Лазеры получили очень широкое применение в науке и технике. Домашнее задание: § 76, выполнить упражнения после параграфа письменно. |