Введение.

Дистанционный урок по теме "Индуцированное излучение. Лазеры" предназначен для учащихся 11 класса МКОУ СОШ п. Заря.

Автор - учитель физики Куншин Дмитрий Владимирович.

При изучении материала урока учащимся необходимо выполнить все предложенные им задания и просмотреть анимации. В случае низкой скорости Интернет-соединения с просмотром анимаций могут возникнуть проблемы.

В содержании урока использован материал учебника для общеобразовательных учреждений Г.Я. Мякишева, Б.Б. Буховцева, Н.Н. Сотского "Физика-11" и анимации из электронного приложения к данному учебнику, а также анимации из электронного приложения к учебнику Н.С. Пурышевой "Физика-11"

Проверка ранее изученного материала.

Выполните контрольный тест по теме "Постулаты Бора". (Перейдите по ссылке)

Внужденное (индуцированное) излучение.

Согласно постулатам Бора, атом излучает световую энергию лишь при переходе из одного стационарного состояния в другое. Кроме того, состояние с минимальной энергией называется основным состоянием, а все остальные - возбужденными. В основном состоянии атом может находиться очень долго, тогда как в возбужденном - лишь в течение малого промежутка времени, после чего самопроизвольно (спонтанно) переходит в основное состояние, излучая при этом квант света. Это излучение происходит при отсутствии внешнего воздействия на атом и обусловлено лишь неустойчивостью его возбужденного состояния.

Если никакого воздействия на атом не оказывается, то время его пребывания в возбужденном состоянии порядка 10 нс. Если же атом подвергается внешнему воздействию, то время жизни его возбужденного состояния сокращается и возникает излучение, которое называется вынужденным или индуцированным излучением. Впервые возможность такого излучения в 1917 году предсказал А. Эйнштейн.

Индуцированное излучение - излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света.

Этот вид излучение происходит в результате воздействия на возбужденный атом кванта света, частота которого совпадает с частотой его самопроизвольного излучения. Атом при этом переходит на более низкий энергетический уровень, и к первичному, распространяющемуся от внешнего источника фотону добавляется еще один фотон, ничем не отличающийся от первого.

Таким образом, при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

Лазеры.

В 1940 году советский физик В.А. Фабрикант (рис. 1) предположил о возможности использования индуцированного излучения для усиления электромагнитных волн. В 1954 году советские ученые Н.Г. Басов (рис. 2) и А.М. Прохоров (рис. 3) и независимо от них американский ученый Ч. Таун создали квантовый генератор, в котором вынужденное излучение преобладало над поглащением, в результате чего генерировалось мощное электромагнитное излучение радиодиапазона. Созданный ими генератор получил название "мазер" ("maser").

В 1960 году американскому ученому Т. Мейману удалось создать квантовый генератор, в котором, в отличие от мазера генерировалось излучение не радио-, а оптического диапазона. Новый генератор получил название "лазер" ("laser")

Излучение лазеров обладает рядом замечательных свойств.

Свойства лазерного излучения:

1. Малый угол расхождения луча;
2. Исключительная монохроматичность;
3. Большая мощность излучения.

Принцип действия лазера

Как уже было сказано, в обычных условиях большинство атомов находится в низшем (основном) энергетичексом состоянии. Поэтому в при низких температурах вещества не светятся.

При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество ее энергия поглащается. За счет этой энергии часть атомов возбуждается, следовательно, переходит в высшее энергетическое состояние. В результате этого от световой волны отнимается энергия, равная разности энергии между основным и возбужденным уровнем.

Фотон, пролетая сквозь атом, сообщает ему свою энергию, в результате чего атом переходит в возбужденное состояние (рис. 4). Возбужденный атом может отдать свою энергию соседним атомам при столкновении или, перейдя в стационарное состояние, испустить фотон.

Возможна ситуация, когда фотон вновь пролетит сквозь возбужденный атом, вследствие чего атом перейдет в низшее энергетическое состояние, при этом излучит еще один фотон с такими же свойствами, что и вызвавший в атоме этот переход (рис. 4).

Для просмотра анимации, демонстрирующей данный квантовый эффект перейдите по ссылке.

Трехуровневая система

Рассмотрим принцип действия рубинового лазера. В нем для возбуждения атомов используется специальная мощная лампа, вспышки которой возбуждают атомы. Но, несмотря на это, двух уровней энергии для работы лазера мало, так как свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний.

Для эффективной работы лазера используют трехуровневую энергетическую систему. На рисунке 6 изображены три уровня энергии, в которых может находиться атомная система. Но время нахождения в этих состояниях у атома неодинаково. На третьем энергетическом уровне атом может находиться порядка 10 нс, после чего он самопроизвольно переходит на второй уровень без излучения света. Время жизни в этом состоянии у него значительно больше и составляет 1 мс (в 100 000 раз больше, чем на уровне 3). Переход из состояния 2 в состояние 1 под действием электромагнитной волны сопровождается излучением. Это и используется в лазерах.

После вспышки лампы атомная система переходит в третье состояние и спустя 10 нс оказывается в состоянии 2, в котором находится сравнительно долго. Таким образом и создается "перенаселенность" возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным уровнем 1.

Если теперь в веществе появиться фотон с указанной выше энергией, то, встречая на своем пути другие атомы, он вынудит их переходить в основное состояние с испусканием новых фотонов. Те, в свою очередь, приведут к появлению следующих и т.д. Возникнет лавинообразное нарастание числа излучаемых фотонов, ничем не отличающихся друг от друга

Для просмотра анимации, в которой показан принцип действия трехуровневой системы прейдите по ссылке.

Устройство рубинового лазера

На рисунке 7 изображен рубиновый лазер в основе которого лежит кристалл рубина. Для просмотра анимации о принципе действия данного типа лазера перейдите по по ссылке.

Применение лазеров

Лазерное излучение нашло широкое применение в различных областях науки и техники. Вот некоторые применения лазеров:

- связь в космическом просранстве,
- запись и хранение информации (лазерные диски),
- хирургические операции (рис. 8),
- испарение и сварка материалов (рис. 9),
- светолокаторы.

Закрепление изученного материала.

Выполните тест по изученному материалу. (Перейдите по ссылке)

Домашнее задание. § 97 (98), тренировочный тест "Индуцированное излучение" (ссылку см. выше), оформить конспект в тетради по изученному материалу.


Все дистанционные уроки »