Отражение луча лазера. «Самодельные лазерные приборы. Изготовление лазерного сканатора
Всегда ли свет распространяется по прямой линии?
Если луч света не встречает препятствий, он остаётся прямым. Если же световой поток сталкивается с каким-либо объектом или веществом, траектория движения луча меняется. Он способен проникать сквозь прозрачные объекты (стекло, вода), переходить из одной прозрачной среды в другую, но при этом будет отклоняться. Данное явление называется преломлением света. Непрозрачный объект (например, дверь) мешает проникновению света, и тогда луч отражается от его поверхности.
Световые лучи от нижней части соломинки (ниже поверхности воды) преломляются, когда проходят через воду, стекло и воздух. От верхней части соломинки лучи проходят только через воду и стекло, итак, луч проходит разные пути, поэтому преломление тоже разное.
Как быстро движется свет?
Скорость света самая большая из известных во Вселенной – почти 300 000 км/c. Все электромагнитные волны перемещаются столь же быстро, правда лишь тогда, когда оказываются в абсолютно пустом пространстве, то есть в вакууме. Скорость света снижается, когда он проходит сквозь прозрачное вещество.
Одна из теорий о пространстве и времени утверждает. Что если объект движется со скоростью, приблизительно равной скорости света, то течение времени для него замедляется. По достижении им скорости света время останавливается. Возможно, если бы скорость объекта была больше скорости света, время повернуло бы вспять, стало бы течь в прошлое. Тогда «кратчайшие» пути в космосе, названные пространственно-временными тоннелями, сделали бы реальными переходы со скоростью большей, чем скорость света.
Скорость света сильно меняется в зависимости от того, через какое вещество или среду он проходит.
Получение лазерного света
Слово «лазер» происходит от английского слова «laser», буквы которого являются начальными буквами словосочетания, переводимого как «усиление светового луча с помощью квантового генератора». Лазерный пучок получают посредством пропускания импульсов энергии через вещество, называемого активной средой. Подводимая энергия может быть электрической, тепловой или даже обычной световой. Атомы активной среды накапливают энергию, которая достигает определённого предела (порога) и извергается в виде вспышки лазерного света.
В чём отличие?
Свет, создаваемый лазером, относится к тому же виду электромагнитной волновой энергии, что и обычный свет. Но у него есть три характерные черты.
Лазерный свет
1. Все световые волны имеют одинаковую длину. Это значит, что все они одного цвета. Лазер испускает свет только одного чистого цвета.
2. Все гребни и подошвы волны одинаковые, равные, как волна гофрированного листового металла.
3. Все волны параллельны: они остаются на одном и том же расстоянии друг от друга, независимо от пройденного ими расстояния.
Обычный свет
1. То, что кажется одним цветом света, представлено смесью волн с разной длиной волны, это всегда комбинация нескольких цветов.
2. Гребни и подошвы волны перемешаны, а не выровнены.
3. Волны обычного света расходятся, поэтому весь пучок становится шире.
Что такое лазер?
Исаак Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц - корпускул, а его оппонент Христиан Г юйгенс считал, что из волн. Прошло больше трехсот лет, а люди до сих пор не знают ответа. Не разрешив спора, ученые мужи пришли к компромиссу - корпускулярно-волновой теории света. Корпускулу назвали фотоном, волну - квантом, изучили свойства света, но спор так и не разрешили.
В процессе изучения электромагнитных волн (от сантиметрового до микрометрового диапазона длин волн) было обнаружено, что некоторые вещества (твердые, жидкие или газообразные) под воздействием внешнего возбуждающего излучения или электричества испускают структурированный свет, имеющий одну длину волны, направление распространения и фазу.
Проще говоря, это то самое явление резонанса, которое мы знаем из школьного курса физики. Помните пример про мост? По мосту марширует рота солдат. Они идут в ногу, в определенном ритме. И это постоянно усиливающееся колебание приводит к обрушению моста, который в принципе рассчитан даже на проезд грузовиков. То же самое происходит и со светом. Огромное количество световых волн различных длины, фазы и направления не оказывают существенного влияния на нас с вами и даже порой полезны.
Под влиянием импульса внешнего источника энергии в активной среде атомы переходят в возбужденное состояние, то есть их электроны занимают энергетически более высокое положение. Затем электроны сами возвращаются в старое положение, при этом излучая квант света. Этот квант проходит через соседний атом, возбуждая его. Получается уже два кванта света. Начинается цепная реакция, усиливаемая тем, что активную среду окружают зеркальные поверхности. Отраженные от них кванты света стимулируют дальнейшее развитие цепной реакции, приводящей к вырастанию уровня мощности излучения до необходимых размеров. При этом все кванты имеют одно направление, одну фазу и длину волны, так как были генерированы атомами одного вещества.
Именно такое излучение назвали сначала оптическими мазерами (мазер -квантовый генератор электромагнитного излучения в сантиметровом диапазоне), затем оптическими квантовыми генераторами, а теперь лазерами. Лазер - усиление света посредством вынужденного излучения (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
2. Автоматическая система слежения за движениями глаза пациента.
Компьютеры по быстроте и качеству реакции не только обогнали чемпионов мира по шахматам, но и практически догнали человеческий глаз. Раньше во время операции хирург корректировал место попадания луча на роговицу в зависимости от движений глазного яблока пациента. Сейчас этим занимается автотрекинг - автоматическая система слежения. Ее реакция быстрее человеческой. Она двигает «голову» эксимерного аппарата, включающую в себя операционный микроскоп и часть доставляющей излучение системы, вслед за мелкими движениями глаза пациента, а при слишком быстром или размашистом движении автоматически прерывает действие лазера.
Автотрекинг резко снижает возможность возникновения такого осложнения, как децентровка зоны лазерного воздействия, то есть появление у пациента после коррекции нерегулярного астигматизма. Также эта система помогает хирургу навести лазер на оптический центр роговицы перед проведением лазерной коррекции.
3. Система эвакуации воздуха с продуктами лазерного испарения из области операционного поля.
Это такой маленький пылесос, удаляющий из воздуха над глазом пациента микропыль, в которую под действием лазера превращается ткань роговицы. Эта пыль мешает прохождению излучения через воздух, что снижает предсказуемость результата лазерной коррекции.
Если аппарат удовлетворяет перечисленным требованиям, значит лазерную коррекцию на нем можно провести на современном уровне.
Есть ли отечественные эксимерные лазеры
МНТК Микрохирургии глаза совместно с Институтом общей физики Академии наук СССР в 1986 г. создали эксимерный лазер Профиль-500, а недавно совместно с Центром физического приборостроения Института общей физики российской Академии наук усовершенствовали его и назвали МикроСкан-2000. МикроСкан соответствует мировым стандартам, но применяется в немногих клиниках. Надеюсь, в дальнейшем такое положение вещей изменится.
Сколько стоит лазерная система?
Дорого, хотя цены постоянно снижаются. Было время, когда стоимость переваливала за миллион долларов США. Сейчас это несколько сот тысяч долларов. К тому же достаточно дороги расходные материалы для лазера и его техническое обслуживание. Периодически необходимо очищать зеркала, менять баллоны с газом, проводить диагностику других систем аппарата. И от изнашивания и поломки деталей никто не застрахован. Необходима постоянная работа с лазером специализированного инженера. Все это увеличивает себестоимость лазерной коррекции.
Лазерная операционная
Двенадцать лет назад появилась информация о том, что в одном из городов США проводится лазерная коррекция на территории универмага и без участия врача. Опыт не прижился, лазерную коррекцию не удалось низвести до уровня протирки очков. Напротив, с развитием методов лазерной коррекции требования к помещению, в котором она проводится, стали более строгими. Необходимы стерильные условия, контроль за температурой, влажностью, чистотой воздуха.
Поверхности в операционной не должны быть зеркальными, что исключает использование блестящих кафеля и жалюзи, стекол, зеркал, потому что отраженное лазерное излучение опасно.
Наш воздух
Воздух должен быть чистым. Любая пыль или летучие соединения могут сказаться на качестве прохождения луча через воздух. Поэтому пациент должен воздерживаться от курения и употребления духов и дезодорантов перед коррекцией. Система вентиляции должна иметь качественные фильтры. Кроме того, объем оттока воздуха должен быть меньше, чем притока. Тогда при открытии двери чистый воздух будет под некоторым давлением вырываться из операционной, не впуская грязный воздух из предоперационной и выдувая пыль наружу. То же самое и с возможными щелями. Качественная вентиляция способствует стабильной и долгой работе эксимерлазерной установки. Но дверь в операционную открывать во время работы лазера даже при хорошей вентиляции нежелательно.
Главный параметр качественной вентиляции - это десятикратный обмен воздуха. То есть за час объем воздуха должен поменяться десять раз. Например, в комнату объемом 500 кубометров вентиляция за один час должна доставить 5000 кубометров воздуха. Проверяется это достаточно просто с помощью анемометра.
Наше электричество
Наше электричество, как наши дороги, - гладкие встречаются крайне редко. Так же и электричество. Колебания напряжения - еще полбеды. Про это многие слышали. А вот про структуру нашего переменного тока в электросети вспоминают не все. График, отражающий структуру российского переменного тока, мягко говоря, очень неровный. А любые «неровности» переменного тока могут нарушить стабильность работы лазера, отключить его или сломать. Не говоря уж о возможности внезапного отключения электричества во время операции.
Поэтому неотъемлемым атрибутом лазерной установки должен быть «бесперебойник».
Его функции:
В случае внезапного падения напряжения в электросети позволить еще в среднем полчаса работать всем электроприборам в операционной;
Не допускать колебаний напряжения;
Выравнивать структуру переменного тока. Это достигается с помощью трансформации получаемого из электросети переменного тока в постоянный, а затем снова формирования переменного, но уже ровного по структуре.
Температура и влажность
Стабильная плюсовая температура и невысокая влажность - залог качества медицинских манипуляций. Рекомендуемая температура эксплуатации лазера составляет от 19 до 23 °C. Поэтому кондиционер тоже должен быть высококачественным и обеспечивать полный климат-контроль.
Влажность - не более 70 %. Без резких перепадов во время операционного дня, особенно между калибровками лазера. Соответственно, двери в операционную следует открывать как можно реже, количество людей в ней ограничивать и во время операционного дня не менять, потому что каждый новый человек повышает температуру, и особенно влажность.
Статья из книги: .
К решению важных измерительных задач в разных областях науки.
Бесконтактные лазерные триангуляционные методы измерения геометрических параметров поверхностей используется давно. Высокая точность и хорошие результаты достигнуты триангуляционными измерителями в основном для ровных гладких поверхностей. Измерение шероховатых поверхностей сложной формы, имеющих различный коэффициент отражения по поверхности, вызывает при использовании триангуляционного метода значительные ошибки. Это обусловлено деформацией индикатрисы рассеяния и влиянием «зеркальной» составляющей в отраженном сигнале. Отражение направленного лазерного пучка света от шероховатой поверхности не может описываться с позиций геометрической оптики как Френелевское отражение, так как всегда присутствует рассеянное излучение. Количество и направленность рассеянного света зависит от свойств поверхности. Зеркально гладкая поверхность не создает диффузно рассеянного излучения и, следовательно, измерение такой поверхности возможно в точке, где угол падения равен углу наблюдения. Рэлей показал, что изображение точки, лежащей на шероховатой поверхности, будет резким, если максимальная разность хода лучей, несущей изображение этой точки, не превышает φ/4, или при косом падении света 2h cosφ/4, где h – высота шероховатости; φ – угол падения лучей; λ – длина волны падающего излучения. В случае триангуляционного измерителя источником света будет пятно лазерного излучения на объекте. Соответственно резкость изображения пятна на фотоприемнике, а также его центр зависят от шероховатости поверхности. Шероховатость является причиной возникновения интерференционной картины на фотоприемнике и появления спеклов. Влияние последних на точность хорошо рассмотрено в . Однако в работах G.Häusler (, “Laser triangulation: fun-damental uncertainty in distance measurement”, APPLIED OPTICS/Vol 33, №7/ 1 March 1994) полностью отсутствует взаимосвязь шероховатости поверхности и возможности и возможности использования триангуляционного измерите-ля на шероховатых поверхностях сложной формы. В работе установлено, что для шероховатой поверхности существует такой угол падения, начиная с которого происходит только зеркальное отражение света. Диффузное отражение света возможно только при меньших углах падения. Угол, определяющий границу между диффузно и зеркально отраженным светом, назван критическим.
Величина критического угла сильно зависит от длины волны падающего излучения и шероховатости поверхности, на которую падает лазерный пучок. Зона, где эта зависимость проявляется наиболее сильно, лежит в диапазоне Rz = 0,15 – 0,38 мкм. При работе триангуляционного измерителя с такими поверхностями угол падения, при котором существует диффузное рассеяние, значительно уменьшается. Это приводит к резкой деформации индикатрисы рассеяния, что вносит значительную ошибку в измерение. Вследствие этого рельеф, имеющий участки, на которых угол падения больше критического, не может быть измерен достаточно точно. Для каждой длины волны имеется своя критическая величина шероховатости. Так для триангуляционного измерителя с λ=0,65 мкм измерения по-верхности с Rz ≤0,21мкм возможны только в одной точке из-за того, что критический угол равен нулю и, следовательно, отсутствует диффузное рассеяние на поверхностях, имеющих Rz ≤0,21мкм. Тогда если принять К = 3,3; λ = 0,65; φкр = 10°; постоянная К может меняться в зависимости от способов обработки для стали в пределах от 3 до 3,5, для экспериментальной проверки воспользуемся триангуляционным измерителем, блок и пластинами, имею-щими образцовую меру шероховатости 0,2 мкм.
Было проведенно исследование при помощи фотоприемника снималась индикатриса рассеяния, для чего образцовая поверхность помещалась на поворотный столик и измерялся угол падения. Для регистрации интенсивности света использовалось фото-приемное устройство, состоящее из объектива, в фокусе которого размещался фотодиод, усилителя и амперметра (самописца). Данные измерений ин-тенсивности отраженного света (индикатриса рассеяния).
Полученная зависимость имеет 2 максимума: при угле падения Θ = 10° и Θ = 16°. Это соответствует: первый – критическом углу; второй – положе-нию, когда угол падения равен углу наблюдения, то есть, при зеркальном отражении. Зависимость показывает, что деформация индикатрисы рассеяния наступает тогда, когда она совпадает с критическим углом. Для каждой кон-кретной поверхности деформация индикатрисы рассеяния определяется шероховатостью Rz и наклоном поверхности. Зависимость подтверждает пра-вильность формулы (2) и возможность ее использования для определения границы применяемости триангуляционных измерителей, работающих на шероховатых поверхностях.
Полученные экспериментальные результаты показывает справедливость соотношения (2). Угол триангуляции φБ определяется из соотношения:
φБ = arc tq (d/b) (3) Где d/b – отношение расстояния от измеряемого объекта к базе триангуляци-онного измерителя. Это отношение – основной параметр, характеризующий возможности триангуляционного измерителя. Для работы измерителя такого типа по диффузному отражению необходимо, чтобы при нормальном падении зондирующего пучка на измеряемую поверхность угол триангуляции должен быть меньше или равен критическому углу φкр (φкр). В этом случае область работы триангуляционного измерителя, работающего по диффузному отражению, будет ограничиваться условием
arc tq(d/b)£ arc cos(λ/3R) (4)
Область, лежащая выше полученных зависимостей, является рабочей областью триангуляционного измерителя, работающего по диффузному отражению и графическим отображением условия (4). Полученная зависимость показывает, что для поверхностей с малым (0,25–0,3 мкм) Rz существенно сни-жается диапазон углов падения и наблюдения, при которых возможно измерение расстояния и линейных размеров изделия. Таким образом определены требования к лазерному триангуляционному методу, работающему по диффузному отражению.
Литература:
1. В.Н. Демкин, В.А. Степанов, Пятшев А.А. Возможности триангуляционного лазерного метода измерения поверхности сложного рельефа 2.V. N. Demkin, D. S. Dokov, A.Z. Venediktov, V. N. Tireshkin. Measurement of wheel pairs parameters of a rolling stock during movement // Proceedings of SPIE.- Vol.5066, pp. 48–53. 3. Демкин В.Н., Доков Д.С., Привалов В.Е. Особенности применения лазерных диодов в линейных измерениях // Письма в ЖТФ, 2004, том 30, вып. 13.-С. 40-44. 4. Häusler. Laser triangulation: fundamental uncertainty in distance measurement, APPLIED OPTICS/Vol 33, №7/ 1 March 1994 5. G.Häusler. Three-Dimensional Sensors – Potentials and Limitations. Hand-book of Computer Vision and Applications. Volume1. pp 485– 506. measurement”, APPLIED OPTICS/Vol 33, №7/ 1 March 1994 6. Торопцев А.С. Оптика шероховатой поверхности. – Л.: Машинострое-ние, 1988.– 191с. 7. Jentzch F. Der Greuzowiker der reguleren Reflexion //Z. fur technishe phu-sik. 1926. Bd. 7 N 6. S. 310–312. 8. Hasumima H. Nara J. On the sheen Gloss //Journal of the Phusical Society of Japan. 1956. Vol.11. P. 69–75. 9. Городинский Г.М. К вопросу о статистической интерференции при от-ражении света от матовых стеклянных поверхностей // Оптика и спек-троскопия. 1963. Т. 15. Вып. 1. С. 113 –118.
|
|||||||||
Исследователи научились искривлять поверхность воды при помощи источников оптического излучения еще в 1973 году, однако тогда для этого использовались мощные лазеры, действовавшие за счет большого фотонного давления. Это явление тогда было удивительно само по себе, т.к. вода имеет достаточно большое поверхностное натяжение (а свет оказывает сравнительно малое давление).
До сих пор считалось, что искривление может быть достигнуто при помощи лазеров мощностью не менее 10 Вт (это класс лазеров, используемых в микро-машиностроении или хирургии). Поэтому никто даже не пытался получить сходные результаты при помощи менее мощного оборудования. Но группа ученых из University of Rennes (Франция) решила провести эксперимент со слабым лазером в конфигурации, известной как полное внутреннее отражение, в рамках которой силы распределяются несколько иным образом, нежели в случае прямого облучения. Подробные результаты их работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Когда вы освещаете светом воду под некоторым случайным углом, суммарная сила давления света будет складываться из воздействия трех лучей: первоначального, прошедшего через поверхность и отраженного от поверхности. В результате сила давления окажется вертикальной (горизонтальная компонента суммарной силы окажется равной нулю). Но когда свет падает на поверхность воды из ее толщи под углом более 49 градусов, он практически полностью отражается обратно. В этом случае горизонтальная составляющая силы сохраняется (согласно эффекту Гаусса Хенхена) и воздействует на воду в направлении центра луча. Образуется искривление поверхности, на подобие того, что возникает, если края листа бумаги сдвигать друг к другу.
На эксперименте команда использовала зеленый 20-милливатный аргоновый лазер, направленный под углом к поверхности из мелкого контейнера с водой, снабженного зеркалом вдоль дна. Лазерный луч несколько раз отражался от зеркала и поверхности, в конечном итоге попадал на сенсор. Удлиненное изображение луча демонстрировало искривление водной поверхности (также как кривое зеркало, в зависимости от своей формы, искажает пропорции отражающегося в нем человека). Ученые были озадачены тем, что при этом на поверхности образовывались не ожидаемые ими выпуклости, а, наоборот, впадины. Однако их объяснение показывает, что все это полностью соответствует влиянию эффекта Гаусса Хенхена. Свое мнение относительно того, почему возможен такой сюрприз, команда базирует на присутствии небольшого электрического поля, распространяющегося примерно на один микрон над поверхностью воды. Они полагают, что градиент этого поля настолько велик, что он значительно изменяет давление воздуха в непосредственной близости от поверхности (вдавливая ее вниз).
Коллеги ученых, однако, не до конца принимают данное объяснение, хотя и не берут под сомнения результаты эксперимента. По их мнению, модель слишком проста. Но, вне зависимости от деталей этой модели, обнаруженный эффект вполне может использоваться для создания небольших настраиваемых оптических линз.
Этот проект посвящен исследованию свойств и особенностей лазерного излучения на практике, использованию лазера для создания несложных физических приборов. В работе изложено и описано устройство и физические принципы работы лазера, показана широкая область применения лазеров, в частности в космической отрасли.
Министерство общего и профессионального образования Свердловской области
Орган местного самоуправления
«Управление образования г. Каменска-Уральского»
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа № 40»
Второй Молодежный космический форум «Семихатовские чтения»
Секция 1. Физика и познание мира
Проект
«Самодельные лазерные приборы»
Исполнитель:
Жеребятьев Илья Владимирович,
учащийся 9 класса
Руководитель:
Балашова Марина Эдуардовна,
учитель физики
Каменск-Уральский – Екатеринбург
Введение
На протяжении многих веков астрономия была лидером естествознания. Астрономические наблюдения послужили исходным фундаментом для открытия многих законов физики. Несколько лет назад радиоастрономы сделали любопытное открытие. Оказалось, что в межзвездной среде есть группы молекул ОН (гидроксильные группы). Излучение гидроксила подобно излучению лазера. Так что природа создала лазеры раньше, чем их изобрел человек.
В 2015 г. научная общественность отмечает 55-летие изобретения лазера.
Лазерное излучение обладает удивительными свойствами. Недаром фантастика предвосхитила его создание.
Работа над проектом включала в себя изучение истории изобретения лазера, принципа его работы, знакомство на практике со свойствами излучения и рассмотрение применения лазерных приборов в различных сферах деятельности человека, знакомство школьной общественности (учащиеся 1-11 классов, родители) с лазером.
Цель данной работы : изготовить приборы с использованием лазера: простейший сканатор и резонатор.
Задачи:
- изучить литературу по данной теме (теория лазера, история, применение);
- исследовать свойства и особенности лазерного излучения на практике;
- подобрать материалы для изготовления приборов.
Актуальность данной темы обусловлена постоянным ростом темпа развития лазерных технологий и их внедрения в нашу жизнь, в том числе в космическую отрасль.
Объект исследования: лазерное излучение.
Предмет исследования: возможность использования лазера для создания несложных физических приборов.
Основная часть
Что такое лазер. Основные свойства лазерного излучения
Слово "лазер" составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания.
Лазер (оптический квантовый генератор) – это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию согласованного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Основные свойства лазерного излучения: Монохроматичность (одноцветность) – все электромагнитные колебания потока имеют одинаковую частоту и длину волны. Характеризует ширину спектра излучения. Чем ширина спектра меньше, тем выше монохроматичность излучения. Когерентность – совпадение фаз электромагнитных колебаний. Характеризует меру согласования между фазами волн, образующими данное излучение. Два пучка называются когерентными, если разность фаз между волнами остается постоянной за время наблюдения.Свойство временной когерентности излучения лазеров используется в оптоэлектронных приборах для приема и передачи информации. Чем короче волна, тем больший объем информации может быть передан. Поляризация – фиксированная ориентация векторов электромагнитного излучения в пространстве относительно направления его распространения. Направленность – малая расходимость потока излучения, распространяется в пределах небольшого телесного угла. Высокая направленность обеспечивает максимальную плотность энергии на выходе прибора.
Благодаря своим свойствам, лазер стал одним из самых значимых изобретений XX века. Уникальные свойства лазерного излучения сделали квантовые генераторы незаменимым инструментом в самых разных областях науки и техники.
Из истории создания лазера
1900г. Немецкий ученый Макс Планк выдвигает смелую гипотезу квантованности излучения: вещество излучает и поглощает свет отдельными порциями (квантами). Энергия кванта Е = h∙ν, где h – постоянная Планка.
1913г. Нильс Бор, пытаясь объяснить планетарную модель атома Э. Резерфорда, сформулирует два постулата:
- Энергия атома квантована, т. е. может принимать ряд дискретных значений: Е 1 ,Е 2 ,Е 3 ,…Е n
- При переходе атома с уровня с энергией Е 2 на уровень с энергией Е 1 излучается квант (фотон) с энергией h ∙ ν = Е 2 – Е 1
1916г. Альберт Эйнштейн создает теорию взаимодействия излучения с веществом, и в 1917г. предсказывает возможность индуцированного (вынужденного) излучения атомами, из чего вытекает принципиальная возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн.
1940г. Советский физик В. А. Фабрикант показывает возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн.
1954г. Ученые Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров и не зависимо от них американский физик Чарлз Таунс создают микроволновый квантовый генератор радиоволн с длиной волны 1,27 см («МАЗЕР»). За это изобретение они были удостоены Нобелевской премии.
1960г. Американский физик Теодор Майман сконструировал первый лазер на рубине с длиной волны в 0,69 мкм. Питер Сорокин и Мирек Стивенсон собрали инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана. Али Джаван, Уильям Беннетт и Дональд Хэрриот продемонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни.
Изобретение лазеров и их совершенствование идет и по сей день.
Теория лазера
Лазеры, как правило, состоят из трех частей (рис. 1):
Источник энергии или механизм накачки;
Рабочее тело;
За что отвечает каждая из этих частей:Система зеркал или оптический резонатор.
Источник энергии подает необходимую для работы устройства энергию. Такой первоначальной энергией может выступать и другой источник света, а также электрический разряд, химическая реакция и т.д.
Рабочее тело – вещество (газ, твердое, жидкость и даже плазма), в котором находятся атомы, излучающие когерентные фотоны. Определяет все наиболее важные характеристика лазера, такие как мощность, длину волны и др., что, в конечном итоге, определяет его практическое применение.
Оптический резонатор – это система зеркалдля сбора излучения в один узкий пучок.
Принцип действия
Чтобы процесс излучения когерентных фотонов произошел, рабочее тело подвергается энергетической накачке, которая приводит, к тому, что большая часть атомов, из которых состоит рабочее тело, перешли в возбужденное энергетическое состоянии. В этом состоянии переход к обратному – основному (не возбужденному) состоянию произойдет, если через атом пройдет фотон, соответствующий по своей энергии разнице между этими двумя состояниями атома. Таким образом, возбужденный атом, при переходе в основное состояние добавляет к «пролетавшему через него» фотону его точную копию. Таким образом, происходит усиление света .
Применение лазеров
С самого момента разработки лазер называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекциизрения до управления транспортными средствами, откосмических полётов дотермоядерного синтеза . Примеры использования лазера: промышленность: резка, сварка, сверление, гравировка; медицина: хирургия, лазеротерапия; военное дело: прицелы, светолокаторы, СОИ; быт: принтер, DVD, передача данных; наука: нивелир, голография, автофокус.
Применение лазеров в космической отрасли
Учеными ведутся разработки инновационных способов передачи данных в космосе с помощью лазера .
Первым шагом в этой программе NASA станет запуск проекта LCRD, намеченного на 2017 год. Главной задачей этой миссии является проверка и демонстрация возможностей новой технологии с увеличенной в 6 раз скоростью передачи данных.
В космонавтике и в авиации сегодня применяются импульсные лазерные локаторы (рис. 2) для определения расстояния до цели.
Лазерные высотомеры (рис. 3) применялись в космическом корабле “Аполлон” для фотографирования поверхности Луны, на Межпланетном зонде «Messenger» для высокоточной топографической съёмки поверхности Меркурия.
Энергетическа
я пробл
ема для к
осмонавтики не менее важная. Одно из решений использование управляемого те рмоядерного синтеза . Но существует ряд технологических проблем, не позволяющих довести работы до практического использования. Одна из таких проблем - удержание нагретой плазмы в ядерном реакторе. Один из способов решить эту проблему может заключаться в использовании лазеров.
Не далеко то время, когда человечество начнет отрываться от Земли и летать на другие планеты. При этом многие технологии, сейчас используемые в областях, далеких от космонавтики, космонавтам придется взять с собой. В том числе и лазерные: лазерный скальпель, лазерные резка и сварка, голография и т. д.
Конструктор космических систем академик РАН Борис Черток не исключает, что в перспективе в космосе могут появиться поражающее лазерное и высокочастотное космическое оружие.
Практическая часть
1. Исследование некоторых свойств лазерного излучения
Определение длины волны лазерного излучения
Цель: определить длины волн красного и зеленого лазерного излучения.
Оборудование, необходимое для измерения:
В работе для определения длины световой волны используется дифракционная решетка с известным периодом (период указан на решетке).
Если пропустить лазерный луч сквозь решетку, то на темном фоне экрана можно наблюдать дифракционные максимумы 0-го, 1-го, 2-го и т. д. порядков.
Длина волны λ, определяется по формуле: , где а – расстояние от решетки до экрана, b – расстояние на экране от максимума 0-го порядка до дифракционного максимума 1-го или 2-го порядка, d – период дифракционной решетки, k – порядок спектра.
Вычисление длины волны красного лазерного луча. Решетка с периодом 1/50 мм:
Вычисление длины волны красного
Вычисление длины волны зеленого лазерного луча. Решетка с периодом 1/75 мм:
Вычисление длины волны зеленого лазерного луча. Решетка с периодом 1/300 мм:
Для сравнения полученных результатов использую ниже приведенную таблицу.
Таблица. Длины волн лазерного излучения в лазерных указках
Вывод: С учетом погрешности при измерениях в опыте, а также, учитывая, что лазерные указки отличаются спектральным диапазоном, у них разный производитель, результаты, практически, близки к приведенным в таблице.
Отражение лазерного луча
Цель: наблюдать отражение лазерного луча от зеркальной поверхности.
Оборудование: оптическая скамья, зеркало, транспортир, лазер.
На отражающую поверхность (зеркало) в заданном направлении падает лазерный луч. Луч, отражаясь от зеркала, изменяет свое направление. Не зависимо от того, как падает луч на зеркало, всегда угол падения равен углу отражения и находятся лучи в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча.
На фотографиях показано отражение луча от зеркала при углах падения 304) и 60 (рис. 5).
Вывод: опыт доказывает справедливость закона отражения света.
Определение угла расхождения лазерного луча
Цель: наблюдение расхождения лазерного луча и определение угла расхождения.
Оборудование: лазер, линейка.
Для определения угла расхождения лазерного луча я расположил источник лазерного излучения на расстоянии 67230 мм от стены (опыт проводился в рекреации школы). Диаметр светового пятна на стене получился равным 90 мм (рис. 8). 
Диаметр луча на выходе из прибора примерно составляет 3 мм. Этим размером можно пренебречь, т. к. он намного меньше полученного значения диаметра пятна на стене и расстояния до стены (рис. 9).
Простые расчеты позволяют определить угол расхождения луча:
Вывод: угол расхождения лазерного луча примерно составляет 4,824"".
В работе также были проведены опыты по преломлению, дифракции, рассеиванию, поляризации лазерного луча и измерение температуры поверхности под действием лазерного луча.
2. Изготовление лазерного спирографа
Зрелище спиральных узоров, которые воспроизводятся на стенах при помощи этого прибора, завораживает и привлекает внимание. Большинство людей из тех, кому я продемонстрировал узоры спирографа, были просто в восторге от увиденного.
Идея создания пришла ко мне на дискотеке, когда я увидел своими глазами что такое настоящее лазерное шоу и лазерная цветомузыка, и как это все работает. Принцип действия прибора я подсмотрел в китайском светомузыкальном приборе, который меняет узоры в зависимости от звука. В нём применяются шаговые двигатели, управляемые микроконтроллером, при таком построении рисуемые картинки получаются нестабильными, за счёт синхронной работы моторов.
Я сделал похожее по принципу устройство, с простым управлением и с применением доступных деталей. Луч лазера направлен на первое зеркало, которое вращается первым мотором и отражает луч на следующее зеркало, а за счёт не большого наклона зеркал относительно оси мотора, луч отражается с круговым вращением и пятно получается виде чёткого узора.
В моем приборе используется два лазерных луча, четыре моторчика, пять зеркал и три реостата-регулятора скорости вращения моторчиков. Таким образом, получается «лазерное шоу».
3. Изготовление лазерного сканатора
Резонанс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при совпадении частоты внешнего воздействия с некоторыми значениями (резонансными частотами), определяемыми свойствами системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с некоторой другой частотой, определяемой из параметров колебательной системы, таких как внутренняя (собственная) частота, коэффициент вязкости и т.п.
Сканатор предназначен для получения незамысловатых оптических фигур. Весь прибор основан на магнитном резонансе. Прибор изготовлен из моторчика, пластиковой пластинки и магнитов. Увеличение амплитуды колебаний пластинки при резонансе можно наблюдать по световой линии. Изменяя положение мотора и скорость его вращения, можно получать не только разные фигуры на экране, но и найти резонансные частоты.
Заключение
Данная работа позволила мне не только подробно разбираться в выбранном материале по данной теме, но и учиться анализировать информацию из множества источников, также подавать ее аудитории. Проведенные эксперименты, подтверждающие, некоторые законы физики и свойства лазерного излучения также способствовали изучению материала. Проектная деятельность способствует развитию способностей к самостоятельной работе, формированию навыков самоорганизации.
К моим практическим достижениям можно отнести значимость моей (уже не первой, подобной) работы, которая заключается в том, что она помогает пропедевтике физического образования в начальной школе, куда я выхожу регулярно со своими проектами по физике. И у меня уже появились последователи в этом деле. В проектную работу по физике включаются и сами малыши, что, несомненно, поможет им в образовании, в том числе и с выбором будущей профессии. Не исключаю возможности, что кто-то из них свяжет свою деятельность с космонавтикой.
Событие
Подписка на новости