Урок- лекция по физике по теме "Лазеры" для 11 класса

Муниципальное бюджетное общеобразовательное  учреждение  «Средняя общеобразовательная школа  №18»  г. Белгорода Урок – лекция  по теме «Лазеры»                                                        Учитель физики                                                           Н. П. Серечева. 2017 – 2018 год Электронно – образовательный ресурс для обучающихся в 11 классе по физике содержит план урока – лекции по теме «Лазеры». В ходе урока учащиеся приобретают знания об устройствах в которых энергия тепловая, химическая, электрическая преобразуются в энергию электромагнитного поля – лазерный луч. На этом уроке у обучающихся формируются представления об индуцированном излучении, они знакомятся с ролью Российских учёных при изучении этой области физики. Ребята узнают свойства лазерного излучения и принцип действия лазеров. У подростков воспитывается чувство гордости , что наши Российские ученые Н.Г.Басов и А.М.Прохоров разработали новый принцип генерации и усиления радиоволн и были награждены Нобелевской премией. Тема урока: «ЛАЗЕРЫ» Ц е л ь   у р о к а . 1, Углубить знания учащихся об источниках световых излучений. 2, Способствовать формированию знаний о лазерах, их свойствах и  применении. 3, Содействовать формированию патриотических чувств  на  примере достижений русских ученых в области лазерной техники.         П л а н   у р о к а : I.   Актуализация звнаний учащихся. 1. Устный опрос: Спектры излучения и поглощения. 2. Спектральный  анализ и его применение, 3. Рассмотреть вопросы, связывающие новый материал с ранее  изученным: а) Почему атомы могут излучать? б)Сформулируйте постулаты Бора.. в) Где 'ученые мира нашли применена  свойству атомов  излучать в возбужденном состоянии? II.    Изучение нового материала. План лекции: 1. Предположение Эйнштейна о различных состояниях атомов. 2. Что представляет собой лазерное излучение ? 3. Устройство рубинового лазера. 4. Газоразрядный  лазер. 5. Принцип работы газоразрядного лазера,. 6. Некоторые типы лазеров. Особенности их конструкции: а) py6иновый, б)газовый, в) полупроводниковый, г) молекулярный, д) химический, е) жидкостный. 7. Свойства лазеров. 8. Применение лазеров. III.   IV.       Закрепление  изученного материала.     Домашнее задание: 1. Прочитать  Конспект лекции «Лазеры». 2. Выучить §87. 3. Повторить § 84. V.    Итог урока. VI.       Рефлексия. СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ «ЛАЗЕРЫ» План лекции  (См.: П л а н   у р о к а .   II. Изучение нового материала) Термин «лазер» (оптический квантовый генератор) образован от начальных   букв   слов   выражения   «Light  Amplification  by  stimulated Emission  of  Radiation»,   что   в   переводе   с   английского   означает «усиление   света   с   помощью   индуцированного   (вынужденного) излучения».  Впервые на возможность вынужденных переходов атома из возбужденного состояния в невозбужденное указал А. Эйнштейн в 1916 г. а) о возвращении атомов в  первоначальное См. стр. 3, « Лазеры»                 состояние с  выделением фотонов. б) переход атомов с одного уровня на другой. в) эмиссию фотонов можно увеличить. В 1954 г. советскими физиками Н.Г. Басовым, A.M. Прохоровым и   американским   ученым   Ч.   Таунсом   был   создан   молекулярный квантовый   генератор,   принцип   действия   которого   основан   на использовании   индуцированных   переходов   молекул   аммиака. Генератор работав на частоте 24­1012 Гц. В 1957 г. была закончена работа советских исследователей В.А. Фабриканта   и  Ф.А.  БУТСЯВОй,   в   которой   экспериментально исследовались   процессы   индуцированного   излучения   в   оптическом диапазоне. В 1960 г. Т.Г. Мейманом (США) был создан первый лазер, где рабочим веществом служил искусственный кристалл рубина,. Осенью того же года  Джавани  и другие  американские физики создали   газовый   лазер   на   смеси   Не   и  Ne.   В   1962   г.   был   создан полупроводниковый лазер. Поиски рабочих тел для лазеров продолжаются.  Так, например, в   60­   70­е   годы   были   созданы   органические   газодинамические   и химические лазеры. В последнее время исследуют возможности создания квантовых генераторов рентгеновского  и  гамма­диапазонов  длин  волн,  а также мочувных лазеров в не прерывном  режиме работы. Какое излучение eсть  лазерное? Если   в   соответствеHHOM  возбужденном   состояниИ  имеется достаточное   количество   атомов,   то   при   наличии   достаточного количества   квантов   света   определенной   частоты   может   возникнуть кратковременный   импульс   вынужденного   излучения   –   «вспышка» квантов. В   качестве   одного   из   методов   получения   атомов   в   состоянии инверсной   заселенности   часто   используют   электрический   разряд   в газоразрядной трубке или импульсную лампу. Что такое инверсная заселенность? 1. Объяснить, что такое накачка. 2. Сообщить о сильно заселенных состояниях 3. Как добиться [ индуцированного излучения  лавинного  потока? 4. Устройство рубинового лазера. 5. В отличие от рубиновогогазовый лазер работает в  непрерывном режиме. 6. Какие газы  используют в  газоразрядных лазерах? Для генерирования излучения используются такие газы, как СО2, N2O,   Н2О,  Ne,  АЛ*,   поскольку   молекулы   этих  'азов,   имею!   энергети­ ческие   уровни,   для   которых   достигается   инверсная   заселенность.   Эти газы   обладают   как   вращательными   так   и   колебательными   уровнями энергий. о Уровень 00 0 ­ основное состояние (см. рис. 23­1 )). 00 1 — возбужденное состояние  имеет большее время жизни. После потери энергии молекула переходит в состояние 10 0, потом о на о о о о о о уровень 01 0 и, наконец, на основной уровень 00 0. Переход 00 1 на уровень   10   0   называют   лазерным   переходом.   Этот   переход сопровождается   инфракрасным   излучением   с   длиной   волны   10,6  VIKM (примерно в 20 раз больше длины волны видимого света. В   СО>2­лазерах   используют   гелий,   что   способствует   более быстрому удалению атомов с  уровня 10 0 и обеспечивает большее число переходов 00   1­10   0.   Используется   и   азот,   который   способствует   повышению заселен­ о о о ности   уровня   00   1.   Такой   способ   получения   инверсной   заселенности получил   название   по   способу   получения   такого   состояния   ­ электронного. Рассмотрим оптический метод получения инверсной заселенности. Активной   средой   служит   синтетический   розовый   рубин   ­   кристалл корунда  А12ОЗ  С  примесью  0,05^  оксида   хрома  CR:>Q3.  Инверсная заселенность достигается за счет оптического возбуждения ионов хрома. Под действием волн ультрафиоле­ _________________3___________ _______________ тового диапазона ионы хрома возбуж­ даются и переходят на систему уров­ ней 3. Отсюда они переходят или на 1, 2 _________________1 или на 2. Переход на 3­2 происходит без   излучения,   энергия   идет   на   нагрев   кристалла,   это   приводит   к состоянию области   спектра.   При   определенной   концентрации   ионов хрома и мощности излучении?., возбуждающей ионы Сг и переводящей их на. уровень 3 (мощность накачки), удается   создать такое распределение на уровне. При котором состояние остается инверсным. Некоторые типы лазеров. Особенности их конструкций а) Рубиновый. Лазеры   классифицируются   по  н а з в а н и ю   к   л   а   с   с   а в е щ е с т в а   и   п о   м е т о д у   и н в е р с н о й   з а с е л е н н о с т и   в этих средах. По названию класса вещества различают твердотельные, газовые, полупроводниковые,   жидкостные   лазеры,   лазеры   на   органических носителях   и   другие.   По   методу   получения   инверсной   заселенности различают химические, газодинамические., молекулярные и другие. ) Рубиновый лазер: ) рубин; 1!.) ему присуща трехуровневая схем а рассмотрения  энергети­ ческих состояний; .':) инверсность заселенности достигается оптическим  путем, возбудитель ­ мощная импульсная лампа; см. рис. 17 (а, б). Торцы рубинового кристалла  I ^полированы и покрыты зеркалами  ■ тщательно  резонаторами. В   более   поздних   конструкциях   применялись   эпилептические отражатели, для улучшения освещения рубина (см. рис. 117 б). б) Газовый. Создан в 1960 г. Смесь гелия и неона. Трубка 1 = 100 см, d =1,5 см, РГЕЛИЯ ~ 1 ММ. рт„ ст. 130 Па, РНЕОНА = 0,1 мм. рт. ст., ~ 1 3 Па. Инверсная заселенность достигалась электрическим способом возбуждения молекул. В   отличие   от   твердотельных   газовые   генераторы   работают   в непрерывном   режиме.  КПД   их  42%.  Это   объясняется   неэффективным способом накачки. К преимущества  а  газового лазера следует отнести высокую   степень   дискретности   излучения,   они   генерируют   линию шириной   ~   103  Гц,   что   является   недостижимым   для   других   типов оптических   квантовых   генераторов.   Газовые   лазеры   нашли   широкое применение в связи, обработке информации, голографии, дальнометрии. в) Полупроводнике вый лазер. Создай   в   1962   г.   Характеризуется   высоким   КПД,   т.к. электрическая   энергия   непосредственно   преобразуется   в   световую. Применяются   полупроводники,   для   которых   характерны   переходы   из ЗОНЫ проводимости в валентную зону. Для выполнения условия генерации исходный материал сильно генерируется, так, чтобы проводники  n­типа находились   в   зоне   проводимости   на   уровне   Ферми,   а   уровень   Ферми полупроводника с Р ­типом проводимости ­ в валентной зоне. На основе этих   соединений   создается   диодная   структура   с   р­n  переходом.   При освещении такого диода барьер между р­ и п­областями уменьшается до нули, и через переход начинает течь сравнительно большой ток в прямом направлении. Непосредствен   но   $   области   р­n  перехода   идет   процесс рекомбинации электронов и дырок. Т.к в области, где рекомбинируют заряды,   выполняется   условие   инверсной   заселенности,   то,   поместив активную   область   кристалла   в   резонатор,   можно   получить   генерацию света.   Практически   резонатором   служит   одна   из;   боковых   граней кристаллического   диода,   которые   получаются   в   результате соответствующей   обработки.   Основная   трудность   при   реализации  n­х лазеров состоит в получении малой силы паровых токов для генерации света в таких лазерах. Эти лазеры работают только в импульсном режиме; для того, чтобы они paботали в сощ. режиме, их необходимо охладить до температуры жидкого азота. В   1964  г.  создали   лазеры   со   сложной   структурой   р­п­переходов световых из р­х материалов, что позволило паровые токи: уменьшить в 20­ 30 раз и осуществить непрерывный режим работы лазера при комнатной температуре. г) Молекулярные лазеры. Работают они в  Б ^прерывном режиме, хотя отн осятся к газовым; используются не электрические, а колебательные возбужденные системы. Способ   получения   инверсной   заселенности   осуществляется   путем тепловых методов возбуждения. д) Химический лазе р. Энергия   излучения   таких   лазеров   обеспечивается   энергией химических реакций. Реакция начинается при взаимодействии фтора F2 и азота  N2,   где   в   качестве   катализатора   использовался   гелий   Не.   Эта реакция протекает в кварцевой трубке ] :=: 45 см., d = 11 см. В результате реакции образуются свободные атомы фтора . С помощью инжектора в тефлоновую трубку I = 21 см и d = 9 см вводятся дейтерий и углекислый газ, создает' я возбужденный фтористый дейтерий, молекулы которого передают   с  BOD  энергию  CQ2.   Газы   очень   быстро   перемешиваются, проходя через тефлоновую трубку со скоростью 600 м/с. Именно при таком   состоянии   достигается   инверсное   состояние.   Посторонние   газы откачиваются и охлаждаются. г) Жидкостные лазеры. Активная   их   среда   —   органический   краситель,   растворенный   в спирте или воде. Частота генерации может перестраиваться в широком диапазоне (перекрывают весь видимый диапазон). Первый   лазер   такого   типа   создан   в   СССР   в   1966   г.   под руководством академика Б.И. Степанова. Источником служит рубиновый лазер,   раствор   помещен   между   зеркалами,   находится   дисперсионная призма. Получают излучения р­й длины волн. Р­м красителем является родамин. Свойства лазеров 1. Создают пучки света с малым радиусом расхождения (с Земли до  Луны). Создает диаметр 3 км. 2. Монохроматичность света (фазы не испытывают излучений). 3. Лазеры являются самым мощным источником излучения. В течение  10"пс у некоторых: типов лазеров достигается мощность 10 14 Вт/см2, в 9 то время как вся поверхность диска Солнца излчучает 7­10 Вт/см . о Применение лазеров а) Перспективное применение лазерного луча для связи в космическом  д) Светолокатор. е) Возбужденные лазерным лучом молекулы химических элементов  вступают в peaкции, которые не идут в нормалъных условиях. ж) С научной целъю возбуждаются лазерным излучением, будут хи­ мическим эле центом для управляемой термоядерной реакции. б) Испарение металлов в вакууме. в) Для сварки. г) Хирургически»; операции (приваривание отел эившейся сетчатки ко простра нстве. дну глаза.). з) ДЛЯ получения объемного изображения. и) Нелинейная оптика и развитие лазерной техники. / V ЭА ьк ГРИЧЬ С Кии / ttit РА  ТОР ГАЗОВАЯ СМЕСЬ Окна под углом Брюстера Когерентное излучение ' // / ' ' / / ' • / / 7 / / i ' ! г > ' / . . '   f   ' <   '   ' / ' , ''   /   / Ридинооыи лазер,, ' / / ' , >       / / / / / / ' / / / / ;      !      ,      1             t .   1 1   1 1   i        / I I i ' ­   \ ' Ммг.рьсиая лампа Отполированные торсы Рубинобыц кристалл Вращательн ые уровни Основные  состоя  С02~ лазерный у переход / (10, В ими)/ Колебательные уробни Симметричное растяжение. изгиб