Курс по избор - модерна оптика
Актуалността на материала, предложен за изследването, е очевидна - лазерът прониква все повече във всички сфери на съвременния човешки живот. Нашите ученици използват CD-плейъри, посещават дискотеки, където възможностите на лазера се използват широко като източник на светлина със специални свойства и яркост. Те знаят, че лазерите се използват в комуникационните системи и медицината. Интересът към изследванията за използването на лазери във военните дела продължава да не стихва. Цялата тази и друга информация за лазерите е широко отразена в пресата. В повечето случаи обаче знанията на момчетата се ограничават до това. Този урок ще помогне да се поправи текущата ситуация.
Цели: да даде концепцията за стимулирана радиация; да се запознае с принципа на действие на лазерите, свойствата на лазерното лъчение и неговото приложение.
Задачи: да запознае студентите с теорията на стимулираното лъчение; говорим за принципа на действие, проектиране и приложение на лазерите; развиват познавателния интерес на учениците.
Забележка: за обяснение на новия материал се използват презентация, направена в MS PowerPoint и демонстрация от компактдиска "Отворена физика".
Индуцирана радиация.
През 1917 г. Айнщайн прогнозира възможността за т.нар. индуцирано (стимулирано) излъчване на светлина от атоми. Под индуцирана радиация се разбира излъчването на възбудени атоми под действието на падаща върху тях светлина. Основната характеристика на такова излъчване е, че светлинната вълна, генерирана по време на излъчване, не се различава от вълната, падаща върху атома, нито по честота, фаза, нито поляризация.
В рамките на квантовата теория стимулирана емисия означава преход на атом от по-високо енергийно състояние към по-ниско, но не спонтанно, а под въздействието на външно влияние. През 1940 г. VA Fabrikant говори за възможността за използване на стимулирано лъчение за усилване на електромагнитните вълни. През 1954 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от тях американецът К. Таунс създават на базата на това явление микровълнов генератор на радиовълни (MASER) с дължина на вълната λ = 1,27 см. През 1963 г. те получават Нобел Награда. Първият лазер е създаден в САЩ през 1960г.
ЛАЗЕР - квантов генератор, източник на мощно оптично лъчение (лазер - съкращение на израза усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на лъчение - усилване на светлината чрез стимулирано лъчение). Принципът на действие на лазера е същият като този на създадения преди това мазер, поради което понякога се нарича оптичен мазер. И в двете устройства излъчването на излишна енергия от възбудени атоми се налага от външни влияния. Лазерът се различава от конвенционалните източници на светлина (като лампи с нажежаема жичка) по две важни свойства на лъчението. Първо, тя е кохерентна, т.е. върховете и спадовете на всичките му вълни се появяват последователно и тази консистенция остава непроменена доста дълго време. Всички конвенционални източници на светлина излъчват некохерентна радиация, при която няма съвпадение между върховете и коритата на различни вълни. В несвързан процес светлинните вълни се излъчват независимо една от друга, енергията на излъчения лъч се разпръсква в пространството и бързо намалява с разстоянието от източника. При кохерентна радиация вълните не се излъчват хаотично и могат да се усилват взаимно. Лазерните лъчи са почти успоредни един на друг, така че той леко се отклонява дори на големи разстояния от излъчвателя. По този начин лазерен лъч с диаметър 30 см беше насочен към Луната и той образува на повърхността си светло петно с диаметър само 3 км (до Луната около 386 000 км; на това разстояние светлина от конвенционален източник би дал петно с диаметър 402 000 км). Втората характеристика на лазерното лъчение е едноцветността, т.е. едноцветност; това означава, че вълни със същата дължина на вълната произхождат от определен лазер. В светлината на почти всички съществуващи източници обикновено присъстват всички дължини на вълните на видимия спектър и съответно всички цветове, така че тази светлина ни се струва бяла. Само няколко традиционни източника (например лампи с ниско налягане, пълни с разредени натриеви пари) блестят почти монохроматично, но тяхното излъчване не е кохерентно и с ниска интензивност.
Как работи лазерът.
Единият от тях е покрит с по-малко плътен слой сребро, така че е полупрозрачен и през него се излъчва лазерна светлина. Рубинът е кристал, състоящ се от алуминиев оксид с примеси на хром оксид. Алуминиевите и кислородните атоми не играят решаваща роля при генерацията; основните енергийни преходи се осъществяват в хром. При възбуждане атомите на хрома преминават от основното състояние към едно от двете обозначени нива на възбуждане F1 и F2 (фиг. 2).