Оглавление I.Введение ...........................................................................Ошибка! Закладка не определена.2 1. Принцип действия лазеров .........................................................................................................2 2. Свойства лазерного излучения ...................................................................................................4 3.Характеристика и классификация лазеров. ................................................................................8 3.1.Газовые лазеры. ..........................................................................................................................8 3.2.Жидкостные лазеры. ..................................................................................................................9 3.3.Полупроводниковые лазеры. ....................................................................................................9 3.4.Лазеры на красителях ................................................................................................................8 3.5.Лазеры в природе. ......................................................................................................................9 4. Применение лазеров ....................................................................................................................9 4.1 Лазеры в медицине.....................................................................................................................9 4.2 Лазеры в фотохимии ..................................................................................................................9 4.3. Создание искусственных «звезд» с помощью лазера ..........................................................10 4.4. Измерение лазером расстояния до луны ..............................................................................10 4.5. Намагничивание лазером .......................................................................................................10 4.6. Лазерное оружие .....................................................................................................................10 4.7. Лазерные принтеры.................................................................................................................11 4.8. Лазерные арфы ........................................................................................................................11 5. Экспериментальная часть..........................................................................................................11 II.Выводы ........................................................................................................................................16 III.Литература .................................................................................................................................18 1 Введение. В наше время известно много разных источников света – от уже ушедших в прошлое свечей и керосиновых ламп до современных ламп накаливания и ламп дневного света. В начале 60-х годов нашего столетия появились новые источники оптического излучения − лазеры. В отличие от других источников света, которые применялись в основном для освещения, лазеры предназначаются для других целей. Лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценных свойств. «Лазерный луч – это уникальный тепловой источник, способный нагреть облучаемый участок детали до высоких температур за столь малое время, в течение которого тепло не успевает «растрескаться»»: так говорил о лазерном луче академик Н. Г. Басов. Актуальность работы. Можно уверенно утверждать, что внедрение и совершенствование лазерных технологий приведет к качественному изменению всего облика современного производства. Огромны и впечатляющи достижения лазерной техники сегодняшнего дня. [8] В этом году в нашу школу поступил «кабинет физики». Много современного цифрового оборудования, для проведения опытов на уроках. Среди приборов был лазер, который меня заинтересовал. Я решила провести ряд экспериментов с использованием лазера и лазерной указки. Цели: 1.Изучить литературу о строении и принципе работы полупроводникового и других типов лазеров. 2. Изучить и выполнить демонстрационные эксперименты по волновой оптике с помощью полупроводникового лазера и лазерной указки. Объект исследования: полупроводниковый лазер и лазерная указка. Методы исследования: теоретические и практические. 1. Принцип действия лазеров. Под лазером понимают устройство, испускающее в видимом спектре когерентную электромагнитную лучистую энергию в диапазоне от сверхкороткого ультрафиолетового до сверхдлинного инфракрасного (субмиллиметры) излучения. Все лазеры состоят из трех основных конструкционных блоков: 1.Активная (рабочая) среда, которая определяет возможную длину волн эмиссии. Активная среда представляет собой вещество, в котором создается инверсная заселенность. Активная среда может быть: - твердой - кристаллы рубина или алюмо -иттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного 2 размера и формы ; - жидкой - растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах; - газообразной - смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках. Полупроводниковые материалы и холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типа активной среды лазеры называются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях и т.п. 2. Источник энергии (накачки) . Например, электрический ток, импульсная лампа или химическая реакция. 3. Резонансная полость (оптический резонатор) с емкостным устройством -обычно два зеркала. Оптические резонаторы бывают с плоскими зеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и др. Резонатор представляет собой пару зеркал, которые располагаются параллельно друг другу. Между этими зеркалами помещается активная среда. Первое из зеркал отражает весь падающий на него свет ( " глухое зеркало", обычно используется призма полного внутреннего отражения). Второе зеркало полупрозрачное ( используется стопа стеклянных пластин), оно возвращает часть излучения в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть излучения возвращает в среду , а часть выводится наружу в виде лазерного луча. Резонатор можно настроить таким образом, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа ( моду). Настройка осуществляется путем подбора расстояния между зеркалами. Рис.1 Устройство лазера 2. Принцип действия лазеров. Принцип работы лазера заключается в следующем. Происходит инверсия электронной населенности вследствие «накачки» рабочей среды, для чего к рабочей среде подводится энергия ( световые или электрические импульсы). Рабочая среда помещается в резонансную 3 полость (оптический резонатор), при циркуляции волны в котором её энергия экспоненциально возрастает благодаря механизму вынужденного излучения. При этом энергия накачки должна превышать определённый порог, иначе потери в резонаторе будут превышать усиление и выходная мощность будет крайне мала.[9] 2. Свойства лазерного излучения Лазерный пучок обладает следующими свойствами: 1.Коллимированностью(направленностью) – очень малым расхождением лучей лазерного пучка даже на больших дистанциях, т.е. почти параллельные лучи; Направленность определяется расходимостью оптического пучка в пространстве и характеризуется плоским или телесным углом, в пределах которого распространяется большая часть излучения. Все нелазерные источники дают ненаправленное излучение в пределах большого телесного угла, вплоть до полного 4π. Вдали от источника путем диафрагмирования волны можно создать пучок с достаточно малой расходимостью, определяемой дифракцией, однако достигаться это будет за счет потери большей части излучения. В лазере резонатор «выделяет» в активной среде определенное направление, для которого выполняется условие самовозбуждения, – именно в этом направлении процессы вынужденного испускания в состоянии компенсировать потери. Таким образом, в этих условиях формируется излучение, остронаправленное вдоль оси резонатора. Следует отметить, что даже при полной пространственной когерентности лазерного излучения его расходимость не равна нулю и определяется дифракцией на излучающей апертуре лазера. Такие пучки называются дифракционно- ограниченными. На практике расходимость лазерного излучения связана не только с дифракцией на выходной апертуре лазера, но и с геометрией резонатора, а также с наличием оптических неоднородностей в лазерном веществе.[4] 2) монохроматичностью; Первый квантовый генератор был создан на пучке молекул аммиака и давал излучение в диапазоне миллиметровых длин волн. Это излучение относится к радиодиапазону, и соответствующие устройства были названы мазерами. Лазеры, излучающие в оптическом и близком к нему инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, были созданы позже. Существуют разные виды лазеров, которые по частоте перекрывают весь оптический, а также ближние инфракрасный и ультрафиолетовый диапазоны. Имеются первые результаты по генерации излучения в мягкой рентгеновской области спектра (рентгеновские лазеры). Для традиционных источников света, как естественных, например излучения Солнца или горящего костра, так и искусственных - электрических ламп накаливания или люминесцентных ламп, - характерен широкий спектр излучения. Свечение естественных источников и ламп накаливания определяется только температурой источника: 4 чем температура выше, тем больше излучается энергии в коротковолновой области спектра и тем больше ширина этого спектра. Эти зависимости содержатся в знаменитой формуле Планка, описывающей излучение абсолютно черного тела, в которой впервые возникла постоянная, названная впоследствии постоянной Планка и определяющая масштаб квантовых свойств природы.В отличие от таких источников лазерное излучение характеризуется очень узким спектром. Поэтому монохроматичность лазерного излучения, которая обусловлена целенаправленным использованием квантовых свойств света, является одним из его важнейших качеств. У современных твердотельных лазеров, работающих в импульсном режиме генерации, ширина спектра излучения составляет примерно 10 ГГц (это соответствует энергетической ширине спектра около 40 мкэВ), а специальные установки, используемые для получения стандартов длин волн оптического диапазона, обладают шириной спектра всего 10 Гц.[7] 3) когерентностью -все волны лазерного пучка имеют одинаковую фазу. Когерентность является одним из важнейших понятий в области оптики и имеет самое прямое отношение к способности света проявлять интерференционные эффекты. Световое поле называется когерентным, когда есть фиксированная связь фаз между значениями электрических полей в разных местах или в разное время.Когерентность обусловлена вынужденным характером излучения, поэтому проявляет основное свойство лазера, представляющего упорядоченную структуру его излучения, т. е. степень близости светового поля к идеальной гармонической волне . Для электромагнитной волны существуют понятия пространственной и временной когерентности. Если разность фаз для любых точек волнового фронта в любой момент времени t остается неизменной, то данная волна является полностью пространственно когерентной. Если разность фаз сохраняется лишь в некоторой конечной области пространства, то волна является частично пространственно когерентной. Если в данной точке пространства на интервале времени ∆t фаза волны остается неизменной, то существует временная когерентность на интервале ∆t. Если ∆t не ограничено, то имеет место полная временная когерентность; если ∆t ограничено, – частичная временная когерентность. Понятие временной когерентности связано с понятием монохроматичности излучения. Пространственная и временная когерентности являются независимыми характеристиками лазерного излучения. Исторически понятие когерентности света возникло в связи с явлением интерференции, когерентность определялась как способность света давать интерференционную картину. Однако когерентный свет – это свет, структура которого близка к плоской или сферической гармонической волне. [2] 5 4) расходимостью; Одной из важнейших характеристик лазерного излучения является угловая расходимость. Под термином «угловая расходимость» принимается величина потока излучения, приходящаяся на единицу телесного угла, т. е. угловое распределение интенсивности излучения в дальней зоне. Спектральная ширина распределения интенсивности в дальней зоне и есть угловая расходимость светового пучка. На практике применяется понятие «расходимость по уровню 0,5 интенсивности». Это спектральная ширина диапазона углов, в котором энергия излучения составляет не менее 0,5 максимального значения. Это угловой диаметр круга в дальней зоне, который охватывает половину всего потока излучения.[4] 5) яркостью (выходная мощность). Определение: яркость - термин, в основном использующийся качественным образом, связанным с выходной мощностью и качеством луча лазера; количественно: синоним светимости. Термин яркость часто используется в контексте лазеров и лазерных пучков, но часто с просто описательным, неколичественным значением. Этот термин также используется с различными количественными значениями; такое разнообразие часто происходит из-за неопределенности. В частности, яркость иногда означает светоизмерительную величину светимости, но в других случаях это может означать радиометрическую величину излучения (см. ниже). Важное различие в том, что радиометрия имеет дело с оптической энергией, тогда как фотометрия оценивает, как интенсивность оптического излучения воспринимается глазами. Хотя, например, американский федеральный Стандарт 1037C рекомендует использование термина яркость только для неколичественной характеризации в контексте физиологических ощущений, другое использование термина стало распространенным. В определении лазерной технологии, яркость лазерного источника (в количественном смысле) в целом понята как синоним к светимости, которая является полной энергией разделенной на произведение площади моды в фокусе и телесных углов в дальней зоне; единицы измерения W sr−1 cm−2. Остальная часть этой статьи предполагает это значение, после обычной практики в этой области технологии.[6] 3.Характеристика и классификация лазеров. 3.1.Газовые лазеры. Активной средой газовых лазеров служат газы низкого давления (от сотых долей до нескольких миллиметров ртутного столба) или их смеси, заполняющие стеклянную трубку с впаянными электродами. Первый газовый лазер на смеси гелия и неона был создан вскоре после лазера рубинового в 1960 А.Джаваном, В.Беннетом и Д.Эрриотом (США). Накачкой 6 газовых лазеров служит электрический разряд, питаемый высокочастотным генератором. Генерация излучения ими происходит так же, как и в твердотельных лазерах, но газовые лазеры дают, как правило, непрерывное излучение. Поскольку плотность газов очень мала, длина трубки с активной средой должна быть достаточно велика, чтобы массы активного вещества хватило для получения высокой интенсивности излучения. К газовым лазерам можно отнести также лазеры газодинамические, химические и эксимерные (лазеры, работающие на электронных переходах молекул, существующих только в возбужденном состоянии). Газодинамический лазер похож на реактивный двигатель, в котором сгорает топливо с добавкой молекул газов активной среды. В камере сгорания молекулы газов возбуждаются, и, охлаждаясь при сверхзвуковом течении, отдают энергию в виде когерентного излучения большой мощности в инфракрасной области, которое выходит поперек газового потока. В химических лазерах (вариант газодинамического лазера) инверсия заселенности образуется за счет химических реакций. Наиболее высокую мощность развивают лазеры на реакции атомарного фтора с водородом: 3.2.Жидкостные лазеры. Активной средой этих лазеров (их называют также лазерами на красителях) служат различные органические соединения в виде растворов. Первые лазеры на красителях появились в конце 60-х. Плотность их рабочего вещества занимает промежуточное место между твердым телом и газом, поэтому они генерируют довольно мощное излучение (до 20 Вт) при небольших размерах кюветы с активным веществом. Работают они как в импульсном, так и в непрерывном режиме, их накачку осуществляют импульсными лампами и лазерами. Возбужденные уровни молекул красителей имеют большую ширину, поэтому жидкостные лазеры излучают сразу несколько частот. А меняя кюветы с растворами красителей, излучение лазера можно перестраивать в очень широком диапазоне. Плавную подстройку частоты излучения осуществляют настройкой резонатора. 3.3.Полупроводниковые лазеры. Этот вид оптических квантовых генераторов был создан в 1962 одновременно несколькими группами американских исследователей (Р.Холлом, М.И.Нейтеном, Т.Квистом и др.), хотя теоретическое обоснование его работы сделал Н.Г.Басов с сотрудниками в 1958. Наиболее распространенные лазерный полупроводниковый материал – арсенид галлия GaAr. Полупроводниковый лазер —лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучательные переходы не между изолированными 7 уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами или подзонами кристалла. В полупроводниковом лазере накачка осуществляется : непосредственно электрическим током (прямая накачка); электронным пучком; электромагнитным излучением. Под именем полупроводниковых часто встречается гибридный лазер из мощного светодиода накачки и наклеенного на него твердотельного активного элемента. Плюс таких лазеров в том что светодиодную структуру накачки можно сделать довольно протяженной и, соответственно, мощной. Механические деформации от нагрева меньше сказываются на активном элементе. «Полупроводниковые» лазеры с мощностями единицы-десятки ватт делают в основном именно по такой технологии. Визуально отличить гибридный лазер от полупроводникового довольно сложно. Поскольку в полупроводниковом лазере возбуждаются и излучают коллективно атомы, составляющие кристаллическую решётку, сам лазер может обладать очень малыми размерами. Другими особенностями полупроводниковых лазеров являются высокий КПД, малая инерционность, простота конструкции. Типичным представителем полупроводниковых лазеров является лазерный диод — лазер, в котором рабочей областью является полупроводниковый p-n переход. В таком лазере излучение происходит за счет рекомбинации электронов и дырок.[5] 3.4.Лазеры на красителях Красители являются очень сложными молекулами, у которых сильно выражены колебательные уровни энергии. Энергетические уровни в полосе спектра располагаются почти непрерывно (рис. 8). Вследствие внутримолекулярного взаимодействия молекула очень быстро (за времена порядка 10 -11 − 10 -12 с) переходит безызлучательно на нижний энергетический уровень каждой полосы. Поэтому поле возбуждения молекул через очень короткий промежуток времени на нижнем уровне полосы Е1 сосредоточатся все возбужденные молекулы. Они далее имеют возможность совершить излучательный переход на любой из энергетических уровней нижней полосы (рис.8). Таким образом, возможно излучение практически любой частоты в интервале, соответствующем ширине нулевой полосы. А это означает, что если молекулы красителя взять в качестве активного вещества для генерации лазерного излучения, то в зависимости от настройки резонатора можно получить практически непрерывную перестройку частоты генерируемого лазерного излучения. Поэтому на красителях создаются лазеры с перестраиваемой частотой генерации. Накачка лазеров на красителях производится газоразрядными лампами или излучением других лазеров.[1] 8 3.5.Лазеры в природе. Во Вселенной обнаружены лазеры естественного происхождения. Инверсная заселенность возникает в огромных межзвездных облаках конденсированных газов. Накачкой служат космические излучения, свет близких звезд и пр. Из-за гигантской протяженности активной среды (газовых облаков) – сотни миллионов километров – такие астрофизические лазеры не нуждаются в резонаторах: вынужденное электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от нескольких сантиметров (Крабовидная туманность) до микрона (окрестности звезды Эта Карина) возникает в них при однократном проходе волны. 4. Применение лазеров С самого момента разработки лазер называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза. Лазер стал одним из самых значимых изобретений XX века 4.1 Лазеры в медицине Медицинские лазеры – одно из самых молодых и быстро развивающихся направлений лазерной техники. В настоящее время большинство высокоразвитых стран мира разрабатывает и производит медицинское лазерное оборудование.В 1960-х годах были выполнены первые исследования в отношении использования лазеров в медицине.Поначалу, после изобретения лазеров, мало кто мог предположить, что эти световые инструменты способны лечить или как-то иначе улучшать физическое благополучие человека. Но врачи и медицинские исследователи быстро разглядели его возможности, а число медицинских применений лазера увеличивается с каждым годом. Например, резка тканей в хирургических процедурах; изменение формы роговицы глаза для улучшения зрения; очистка закупоренных артерий; прожигание полостей и отбеливание зубов; удаление нежелательных волос, морщин, родинок и веснушек; изменение формы лица в пластической хирургии.[4] 4.2 Лазеры в фотохимии Некоторые типы лазеров могут производить сверхкороткие световые импульсы, измеряемые пико- и фемтосекундами (10−12 — 10−15 с). Такие импульсы можно применять для запуска и анализа химических реакций. Сверхкороткие импульсы могут использоваться для исследования химических реакций с высокой разрешающей способностью по времени, позволяя достоверно выделять короткоживущие соединения. Манипуляция поляризацией импульса позволяет селективно выбирать направление химической реакции из нескольких возможных (когерентный контроль). Такие методы 9 находят своё применение в биохимии, где с их помощью исследуют образование и работу белков. 4.3. Создание искусственных «звезд» с помощью лазера Применение методов адаптивной оптики в наземных телескопах позволяет существенно повысить качество изображения астрономических объектов путем измерения и компенсации оптических искажений атмосферы. Для этого, в сторону наблюдения направляется мощный луч лазера. Излучение лазера рассеивается в верхних слоях атмосферы, создавая видимый с поверхности земли опорный источник света — искусственную "звезду". Свет от нее, прошедший на обратном пути к земле через слои атмосферы, содержит информацию об оптических искажениях, имеющих место в данный момент времени. Измеренные таким образом атмосферные искажения компенсируются специальным корректором. Например, деформируемым зеркалом. 4.4. Измерение лазером расстояния до луны Во время полётов на Луну пилотируемыми и беспилотными аппаратами, на её поверхность было доставлено несколько специальных уголковых отражателей. С Земли при помощи телескопа посылали специально сфокусированный лазерный луч и измеряли время, которое он затрачивает на путь до лунной поверхности и обратно. Основываясь на значении скорости света (которое, кстати, специально для этих исследований пришлось отдельно измерять с большой точностью), стало возможным рассчитать расстояние до Луны. Сегодня параметры орбиты Луны известны с точностью до нескольких сантиметров. 4.5. Намагничивание лазером Сверхкороткие лазерные импульсы используются для сверхбыстрого управления магнитным состоянием среды, что является в настоящее время предметом интенсивных исследований. Уже открыто сверхбыстрое размагничивание множество за 200 оптико-магнитных фемтосекунд явлений, (2·10−13 таких, с), как тепловое перемагничивание светом и нетепловое оптическое управление намагниченностью с помощью поляризации света. 4.6. Лазерное оружие С середины 50-х годов XX века в СССР осуществлялись широкомасштабные работы по разработке и испытанию лазерного оружия высокой мощности, как средства непосредственного поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны. Среди прочих были реализованы программы «Терра» и «Омега». Испытания лазеров осуществлялись на полигоне Сары-Шаган (ПВО, ПРО, ПКО, СККП, СПРН) в Казахстане. После распада Советского Союза работы на полигоне СарыШаган были остановлены. 10 В середине марта 2009 года американская корпорация Northrop Grumman объявила о создании твердотельного электрического лазера мощностью около 100 кВт. Разработка данного устройства была произведена в рамках программы по созданию эффективного мобильного лазерного комплекса, предназначенного для борьбы с наземными и воздушными целями. 4.7. Лазерные принтеры Лазерный принтер — один из видов принтеров, позволяющий быстро изготавливать высококачественные отпечатки текста и графики на обычной (не специальной) бумаге. Подобно фотокопировальным аппаратам лазерные принтеры используют в работе процесс ксерографической печати, однако отличие состоит в том, что формирование изображения происходит путём непосредственной экспозиции (освещения) лазерным лучом фоточувствительных элементов принтера. Отпечатки, сделанные таким способом, не боятся влаги, устойчивы к истиранию и выцветанию. Качество такого изображения очень высокое. 4.8. Лазерные арфы Лазерная арфа — электронный музыкальный инструмент, состоящий из нескольких лазерных лучей, которые нужно перекрывать, по аналогии с щипками струн обычной арфы. Французский композитор Жан Мишель Жарр использует лазерные арфы в своих световых шоу.[3 ] 5. Экспериментальная часть Эксперимент проводила с использованием полупроводникового лазера и лазерной указки. Техника безопасности при работе с лазером : работа с лазерами небезопасна, поэтому при работе с ними требуется соблюдение мер безопасности. Поскольку лазерный процесс может создать мощный коллимационный луч оптического излучения (то есть, ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной лучистой энергии), то лазер может быть опасным даже на больших расстояниях! Эксперимент №1. Дифракционная картина Цель: Сравнение дифракционных картин полупроводникового лазера и лазерной указки. Был проведен эксперимент по наблюдению дифракции на дифракционной решетке. 11 Рис. 2 .а) дифракционная картина (d=0,02) полупроводникового лазера Рис. 2 б) дифракционная картина (d=0,02) лазерной указки Рис. 2 в)дифракционная картина (d=0,0067) полупроводникового лазера 12 Рис.2 г) дифракционная картина (d=0,0067) лазерной указки Вывод: Полученные дифракционные картины не выявили заметных различий в когерентности излучений полупроводникового лазера и лазерной указки. Эксперимент№2 Сравнение поляризации излучения полупроводникового лазера и лазерной указки Цель. Сравнить степень поляризации излучения полупроводникового лазера и лазерной указки. Ход исследования. На пути луча исследуемых лазеров установила поляроид, вращая который меняла направление поляризации пропускаемого излучения. За нуль угла поворота поляроида приняла угол, при котором интенсивность излучения минимальна. Рис. 3 а) Луч полупроводникового лазера. Интенсивность излучения минимальна. 13 Рис. 3 б) Луч лазерной указки. Интенсивность излучения минимальна. Рис. 3 в) Луч полупроводникового лазера при изменении угла поворота поляроида до 15 град. Рис. 3 г) Луч лазерной указки при изменении угла поворота поляроида до 15 град. Вывод: Из снимков, полученных при различных углах поворота поляроида, видно, что луч полупроводникового лазера, проходя через поляризатор, установленный на ноль градусов, не гаснет полностью, – четко видны две области излучения. При изменении угла поляроида до 15 градусов луч трансформируется и принимает обычную форму. Луч лазерной указки при установке поляроида на 0 градусов тоже не гаснет полностью. С увеличением угла 14 поворота поляроида структура луча остается прежней. Значит, лучи лазерной указки и полупроводникового лазера поляризованы почти одинаково. Эксперимент №3. Определение длины волны полупроводникового лазера. Цель: определить длину волны полупроводникового лазера Для проведения эксперимента я взяла лазер, дифракционную решетку с периодом 1/100, экран с миллиметровой шкалой Дифракционную решетку расположила между лазером и экраном так, чтобы на экране получилось четкое изображение центрального максимума и спектров первого и второго порядков Длина волны лазера определяется по формуле: 𝜆= 𝑑𝑠𝑖𝑛𝜑 𝑘с, мм Источник света λ, нм 𝛼, мм где d – период решетки, k – порядок спектра, ϕ – угол, под которым наблюдаются спектры Полупроводниковый 40 950 842,1 первого, второго и т.д. порядков. Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы лазер 1-го, 2-го порядков малы, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы: α 𝑡𝑔𝜑 = c где а – расстояние между центральным максимумом и максимумом первого, второго и т.д. порядков, с – расстояние от дифракционной решетки до экрана. Тогда формула для определения длины волны лазера будет: 𝑑𝛼 λ= 𝑘𝑐 Результаты измерений длины волны полупроводникового лазера. Эксперимент№4 Цель: Доказать, что компакт-диск можно использовать в качестве дифракционной решетки. Для проведения эксперимента я взяла DVD диск, полупроводниковый лазер и лазерную указку. 15 При падении лазерного луча на диск он отражается и дифрагирует. Рис. 4 а) луч лазерной указки Рис. 4 б) луч полупроводникового лазера Вывод: По существу компакт-диск – это дифракционная решетка, при падении на которую естественный свет отражается и дифрагирует. Мне удалось доказать, что диск можно использовать вместо дифракционной решетки. Для демонстрации явления дифракции на уроках физики можно использовать небольшие кусочки компакт-диска. Эксперимент № 5 Демонстрация полного внутреннего отражения Цель: наблюдения явления полного внутреннего отражения Ход эксперимента: в тонкостенный стакан налила 7-8 см воды. Луч лазера направила на боковую стенку стакана под некоторым углом вверх. В воде луч преломляется, а затем полностью отражается от поверхности воды и выходит, преломляясь с противоположной стороны стакана. Для улучшения видимости луча в стакан с водой добавляла немного мела. 16 Рис. 5 а) полное отражение луча лазерной указки Рис. 5 б) полное отражение луча полупроводникового лазера Рис. 5 в) слева: луч полупроводникового лазера 17 справа: луч лазерной указки Вывод: Направляя луч света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, то по мере увеличения угла падения преломленный луч приближался к границе раздела двух сред затем проходил по границе раздела, а при дальнейшем увеличении угла падения преломленный луч исчезал, т.е. падающий луч полностью отражался границей раздела двух сред. Выводы 1.Начиная делать исследовательскую работу, я почти ничего не знала о лазерах. Изучив литературу, я узнала, в чем заключается принцип работы и какими свойствами обладает лазер. Мне стало известно, что с самого момента разработки, лазер называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза. В своей работе я попыталась обобщить знания, которые мне удалось получить. 2. Проведя некоторые эксперименты, я выяснила, что лазерная указка пригодна для использования в качестве источника когерентного излучения при проведении демонстрационных и лабораторных опытов по физике. Так как по физическим свойствам она практически не отличается от полупроводникового лазера. Так же я доказала, что заменить дифракционную решетку можно обычным компакт-диском. Все это может помочь при проведении опытов на уроках физики при изучении раздела волновая оптика. Особенно тем школам, в которых нет специального оборудования. 18 Литература 1. Матвеев А. Н. Типы и характеристики лазеров // «Оптика» Москва, «Высшая школа», 1985 г., с 325 2.Физика лазеров [Текст]: учебное пособие / В.С. Айрапетян, О.К. Ушаков. – Новосибирск: СГГА, 2012., с 53 Интернет ресурсы: 3. Лазеры: принцип действия, безопасность при работе с лазерами. Режим доступа: http://geodesylib.ru/2009-01-09-15-43-40.html 4.http://www.rfe.by/media/kafedry/kaf2/publications/karikh/OeLab1.pdf 5.Энциклопедия кругосвет. Лазер. Режим доступа: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/tehnologiya_i_promyshlennost/LAZER.html?page= 0,4 6.Яркость лазерного излучения. Режим доступа: http://www.laserportal.ru/content_787 7. Взаимодействие лазерного излучения с http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/476.html 8.http://www.referat.star-info.ru/info 9.http://ru.wikipedia.org/wiki 19 атомами, Физика. Режим доступа: