Исследование лазерного излучения

КОНФЕРЕНЦИЯ   ­  1.2(1А) ЮЖНО­УРАЛЬСКАЯ    ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНО­СОЦИАЛЬНАЯ    ПРОГРАММА ДЛЯ МОЛОДЕЖИ  И  ШКОЛЬНИКОВ  "ШАГ  В  БУДУЩЕЕ ­ СОЗВЕЗДИЕ  НТТМ" ЮЖНО­УРАЛЬСКИЙ  КООРДИНАЦИОННЫЙ  ЦЕНТР  НТТМ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЫ    XXI   ВЕКА» Исследование лазерного излучения Исследовательская работа на  Южно­Уральский молодежный интеллектуальный форум  "Шаг в будущее­Созвездие НТТМ" (секция 1.2 (1А) Опто­радио­электронные приборы и системы) Автор:  Васильев Матвей Дмитриевич, Челябинская область, г. Златоуст,   МОУ СОШ №9, класс 10 Научный руководитель:  Хрущева Альбина Ринадовна, учитель  физики МАОУ СОШ №9 Челябинск ­ 2016 Содержание • Глава I Принцип работы лазера • Глава II. Принцип действия полупроводникового лазера • Глава III. Устройство лазерной указки • Глава IV Эксперименты с лазерной указкой • Дифракция • Поляризация • Измерение длины волны • Глава V Создание лазерного резака • Вывод • Список литературы Введение «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»»:  Н. Г. Басов. B   последние   годы   внедрение   лазерной   техники   во   все   отрасли   народного   хозяйства значительно расширилось. Уже сейчас лазеры используются в космических исследованиях, в машиностроении,   в   медицине,   в   вычислительной   технике,   в   самолетостроении   и   военной технике. Появились публикации, в которых отмечается, что лазеры пригодились и в агропроме. Непрерывно совершенствуется применение лазеров в научных исследованиях – физических, химических, биологических. B результате гонки вооружений ускоренными темпами идет использование лазеров в различных видах военной техники – наземной, морской, воздушной. Ряд   образцов   лазерной   техники   –   дальномеры,   высотомеры,   локаторы,   системы самонаведения – поступили на вооружение в армиях. В военных приборах в качестве источника излучения используется лазер. В  последнее  время получила  распространение  еще  одна  важная  область  применения лазеров – лазерная технология, с помощью которой обеспечивается резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обработка интегральных микросхем. И   я   задумался:   а   как   создать   самому   лазер   или   увеличить   мощность   лазера,   чтобы частично раскрыть в нем потенциал и увеличить мощность для резки металла.  Актуальность  проблемы   очевидна,   человеку   необходимо     внедрение   и   совершенствование лазерных технологий, что приведет к качественному изменению всего облика современного производства. Цель работы:  Изучить   лазер,   провести   эксперименты   и   увеличить   мощность   лазера   используя   лазерную указку. Проблемный вопрос:  что лежит в основе лазерного излучения  и можно ли увеличить его мощность? Задачи: ­ Изучить теоретические сведения о лазерах. ­ Узнать устройство лазерной указки. ­ Провести эксперименты  ­ Увеличить мощность лазерной указки Гипотеза: ­ Можно ли увеличить мощность лазерной указки Методы исследования. Метод теоретического анализа; Метод системного анализа;  Эмпирические методы: наблюдение, сравнение, эксперимент. План исследования:  1. Изучить материал по интересующей меня проблеме 2. Исследовать излучение полупроводникового лазера 3. Провести эксперимент самостоятельно  4. Увеличить мощность лазерной указки 5. Проанализировать результаты исследования и сделать выводы. Практическая значимость: Работу   можно   использовать   как   дополнительный   материал   по   физике,   как   материал   для проведения   тематического   классного   часа,   на   занятиях   кружка,   на   конференциях   разного уровня. Структура работы соответствует содержанию, состоит из введения и трех глав. Глава I Принцип работы лазера Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово "лазер" составлено из первых букв английского словосочетания, означающего "усиление света в результате вынужденного излучения". В 1917 г. Эйнштейн   предсказал   возможность   так   называемого   индуцированного   (вынужденного) излучения   света   атомами.   Под   индуцированным   излучением   понимается   излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией. В обычных условиях атомы в веществе находятся в основных стационарных состояниях и   обладают   минимальной   энергией.   Чтобы   атомы   перешли   из   основного   стационарного состояния в возбужденное необходимо вещество облучать электромагнитными волнами.[2] а) невозбужденный атом б) возбужденный атом Рис.1. Изображен процесс поглощения света при прохождении его через вещество Одновременно   с   переходами   атомов   из   основного   состояния   в   возбужденное   (с поглощением   фотонов)   происходят   переходы   из   возбужденного   состояния   в   основное   с излучением фотонов. в) возбужденный атом г) возврат в основное состояние Рис.2. Изображен процесс образования вынужденного излучения Глава II Принцип действия полупроводникового лазера Полупроводниковый   лазер   –   это   лазер,   в   котором   активной   средой   является полупроводник.   Изучение,   как   и   в   обычных   лазерах,   генерируется   в   результате   квантовых переходов,   но   не   между   дискретными   уровнями   энергии,   а   между   разрешенными энергетическими зонами, разделенными так называемой зоной запрещенной энергии. Ширина   Энергетические   переходы   в запрещенной   зоны   определяет   частоту   излучения. полупроводниковом   лазере   осуществляются   в   результате   слияния   пары   электрон­дырка   в активной области [2]. Рис. 3 Принцип действия полупроводникового лазера Наибольшее   распространение   получили   инжекционные   полупроводниковые   лазеры,   в которых накачка, т.е. создание избыточной концентрации электронов и дырок, достигается путем   инжекции   носителей   заряда   в   активную   область.   Инжекционный   лазер   –   это,   в простейшем   случае,  p­n­переход,   т.е.     два   прижатых   друг   к   другу   полупроводниковых кристалла,   практически   одинаковые   по   химическому   составу   различающихся   типом проводимости. Если на такой переход подать прямое напряжение смещения,  электроны из n­области и дырки из р­области начнут двигаться в область перехода на встречу друг другу. Они объединяются (рекомбинируют) с излучением фотона. Чем сильнее электрическое поле в области р­перехода тем излучения. накачки мощнее ток,   тем       больше     Усиление осуществляется в процессе многократного отражения света при его распространении вдоль   полупроводникового   перехода.   Мода   излучения   выбирается   углом   скола   торцов кристалла.  В  самых  распространенных  "инжекционных"   лазерах   при  большом  прямом  токе происходит инжекция избыточных электронов и дырок в слой, прилегающий к p­n переходу. Там электроны и дырки рекомбинируют и излучают. Характерная частота света зависит от разности энергий между валентной зоной и зоной проводимости. Для арсенида галлия это 1,5 эВ, что соответствует ближнему ИК спектру. В настоящее время уже умеют делать лазерные диоды   и   на   видимый,   и   даже   на   ближний   УФ   диапазон   мощностью   в   сотни   милливатт. Коэффициент полезного действия достигает 50%[1]. Глава III. Устройство лазерной указки Устройство лазерной указки представлено на рисунке 4. Источником питания служат три соединенные последовательно миниатюрные батарейки (1)  с ЭДС 1,2В каждая.  Электронная схема (2)  с кнопкой  включения смонтирована в середине корпуса и подключена к лазерной головке (3). Лазерное излучение указки имеет длину волны 630—680 нм и мощность менее 1 мВт. Линза (4) фокусирует его в тонкий луч. Рис. 4. Устройство лазерной указки Глава IV Эксперименты с лазерной указкой Эксперимент проводил с использованием 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! [4] Цель: Получение дифракционных картин лазерной указки. Эксперимент №1. Дифракционная картина Рис. 5  Дифракционная картина (d=0,02) лазерной указки Вывод: Наблюдается дифракция на дифракционной решетке от луча лазерной указки. Эксперимент№2 Поляризация излучения лазерной указки Цель. Исследовать поляризацию излучения лазерной указки. Ход исследования. На пути луча исследуемого лазерного луча установил поляроид, вращая который   менял  направление   поляризации   пропускаемого  излучения.   За  нуль  угла   поворота поляроида принял угол, при котором интенсивность излучения минимальна. Рис. 6 а) Луч лазерной указки. Интенсивность излучения минимальна. Рис. 6 б) Луч лазерной указки при изменении угла поворота поляроида до 15 град. Вывод: Из  снимков, полученных при различных углах поворота поляроида, видно, что луч лазерной указки при установке поляроида на 0 градусов не гаснет полностью. С увеличением угла поворота поляроида структура луча остается прежней, рассеивается больше.  Эксперимент №3. Определение длины волны лазерной указки Цель: определить длину волны  Для проведения эксперимента я взял лазер, дифракционную решетку с периодом 1/100, экран с миллиметровой шкалой Дифракционную решетку расположил 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 k где d – период решетки, k – порядок спектра,  ϕ  – угол, под которым наблюдаются спектры первого, второго и т.д. порядков. Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы 1­ го, 2­го порядков малы, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы: tgφ=α 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 kc =λ Результаты измерений длины волны полупроводникового лазера. Источник света Полупроводниковый лазер α , м 0,08 с, м 1 , нмλ 400 Вывод: Я экспериментально измерил длину волны лазерной указки Глава V Создание лазерного резака Компоненты: ­ Нерабочий (или рабочий) DVD­RW привод со скорость записи 16х или выше;  ­ Конденсаторы 100 пФ и 100 мФ; ­  Резистор 2­5 Ом;  ­ Три аккумулятора ААА;  ­ Паяльник и провода; ­ Лазерная указка  ­ Стальной светодиодный фонарь. ­ Линза 0.7 мм Перед   тем   как   приступить   к   работе,   необходимо   знать,   что   лазерный   диод   можно повредить не только неосторожным обращением, но и перепадами напряжения. При повышении напряжения   светодиод   в   устройстве   превышает   свою   норму   яркости,   вследствие   чего разрушается резонатор. Таким образом, диод теряет свою способность к нагреву, он становится обычным фонариком. Вывод В ходе исследовательской работы я  изучил теорию о лазерах, узнал принцип действия полупроводникового   лазера,   устройство   лазерной   указки,   а   также   провел   эксперименты   с лазерной указкой, такие как дифракция, поляризация и вычислил ее длину волны. И главное я  увеличил мощность лазера. Полученные   в   процессе   исследования   знания   и   накопленные   факты   позволили   мне провести   эксперименты,   в   ходе   которых,  я   выяснил,   что   лазерная   указка   пригодна   для использования   в   качестве   источника   когерентного   излучения   при   проведении демонстрационных и лабораторных опытов по физике. Все это может помочь при проведении опытов на уроках физики при изучении раздела волновая оптика. Особенно тем школам, в которых нет специального оборудования. Таким образом, моя гипотеза подтвердилась. Список литературы  1. Матвеев А. Н. Типы и характеристики лазеров // «Оптика» Москва, «Высшая школа», 1985г. 2. Физика лазеров [Текст]: учебное пособие / В.С. Айрапетян, О.К. Ушаков. 3.  Транковский С. В.  Книга о лазерах.  Москва «Детская литература», 1988 г. Интернет ресурсы: 4. http://geodesylib.ru/2009­01­09­15­43­40.html 5. http://www.rfe.by/media/kafedry/kaf2/publications/karikh/OeLab1.pdf 6.   Энциклопедия.   Лазер.   Режим  доступа:  Лазеры:   принцип   действия,   безопасность   при   работе   с   лазерами.   Режим   доступа:  http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/ tehnologiya_ i_promyshlennost/LAZER.html?page 7. Яркость лазерного излучения. Режим доступа: http     _787  ://   www   .  laserportal    .  ru   /  content