Методическая разработка урока-конференции по дисциплине «Физика» по теме: «Лазеры»

Введение

Одной из наиболее интересных инновационных форм обучения физики является урок - научная конференция.

Для конференций следует выбирать темы, не только способствующие углублению знаний по физике и дающие возможность повторить ряд вопросов проходимых на уроках, но несущие новую информацию для ученика.  

Реализация такой инновационной формы проведения урока, как научная конференция, способствует не только формированию навыков научной деятельности у участников конференции, но и формированию познавательного интереса учеников к физике, установлению межпредметных связей физики с другими науками.

Тип урока: изучение нового материала.

Форма проведения: урок-конференция.

Цели урока:

Образовательные: раскрыть принцип действия лазеров;  познакомить учащихся с различными видами этих приборов;  применение лазерной техники в самых разных областях жизни;

Развивающие: развивать интерес к изучаемому предмету; содействовать развитию учащихся самостоятельного приобретения знаний;

Воспитательные: воспитание уважения к историческим открытиям и изобретениям, чувства гордости к своим соотечественникам;  формирование физической картины мира; воспитание уважения к собеседнику.

Оборудование: плакаты со схемами различных видов квантовых генераторов; мультимедийные презентации.

Ход урока.  

I. Организационный момент.

2. Формирование новых знаний.

Учитель: На сегодняшнем уроке- конференции, заслушаем доклады по различным видам квантовых генераторов. По ходу урока учащиеся делают записи в тетрадях. Все доклады сопровождаются мультимедийными презентациями и плакатами.

Доклады:

 «Лазерный луч – гигантский импульс. Квантовые генераторы»; «Твердотельный лазер»; «Газовые лазеры»; «Жидкостный лазер»; «Полупроводниковый лазер»; «Применение лазеров»; «Применение лазеров»

3. Закрепление:

- Какие устройства называются лазерами?

- Какие виды лазеров вы знаете?

- Чем отличаются лазеры друг от друга?

- Где применяются лазеры?

4. Итог урока

5. Домашнее задание.

Лазерный луч – гигантский импульс. Квантовые генераторы.

Докладчик.

Всё в мире состоит из атомов. Если атомам передать энергию, то они переходят в новое, возбуждённое состояние, в котором долго находиться не могут. Они «успокаиваются», испустив порцию энергии, квант света. Каждый квант можно представить как отрезок волны, летящей со скоростью света. От длины волны кванта зависит, сколько энергии он может с собой унести: чем меньше длина волны, тем эта энергия больше. Чем больше излучается квантов, тем ярче делается свечение.

Атом способен не только испускать кванты, теряя энергию, но и поглощать их, возбуждаясь. Но атому «не нравится» быть в возбуждённом состоянии. Энергию поглощённого кванта атом стремиться тут же, отдать, излучить. Поэтому просто осветив кусочек вещества лампой, даже очень сильной, мы ничего не добьёмся. Нужно сделать так, чтобы его атомы сначала накопили энергию, а потом все вместе сразу её отдали, выпустив кванты залпом. Поможет нам в этом явление, называемое вынужденным излучением. Атом может отдать энергию не только самопроизвольно, но и тогда, когда с ним столкнётся посторонний квант, имеющий ту же длину волны, что и излучения атома. После столкновения  получаются два кванта, совершенно неотличимые друг от друга.  Несколько миллиардов столкновений, и возникает когерентное и монохроматическое (одной длины волны) излучение. Лазерный луч идёт почти не расширяясь, его можно сфокусировать  в пятно диаметром 001мм.

Значит, если накопить достаточно большое количество возбуждённых атомов, которые будут «жить» в этом состоянии достаточно долго, и если создать мощный поток квантов, летящих в одном направлении, получим систему, способную генерировать когерентный свет – оптический квантовый генератор- ЛАЗЕР. Это название произошло от английской фразы: Light Amplifikation by Stimulated Emission of Radiation (усиление света при помощи вынужденного излучения). В лазерах удаётся создать условия, при которых все атомы одновременно испустят световые кванты, получится один, длительностью в миллиардные доли секунды, гигантский импульс.

Лазерный луч– это мощное когерентное, монохроматическое, строго сфокусированное излучение.

Квантовые генераторы отличаются:

а). Рабочим телом. 

• твёрдое тело
• жидкость
• газ
• полупроводники

б). Способом возбуждения рабочего вещества (накачка).

• лампа-вспышка
• химическая реакция
• электрическое поле

в) Режимом работы.

• импульсный 
• непрерывный

г) Частотой излучения.

• мазер - кванты радиоволн
• лазер – кванты видимого излучения
• разер – кванты рентгеновского излучения
• газер (гразер) – гамма-квант

Твердотельные лазеры                                                                                                    

Докладчик.                     

Рабочим телом такого лазера является стержень или пластина, сделанные из материала, от которого мы хотим добиться излучения. Материал должен быть прозрачным, чтобы свет пронизывал его насквозь. Самые распространённые материалы для стержней - искусственно выращенные кристаллы рубина или граната или стекло, в которое добавлено небольшое количество редкого элемента – неодима. Стержни обычно бывают диаметром от 6 до 20 миллиметров и длиной от 10 до 60 сантиметров. Сам лазер часто именуется по материалу стержня. Рядом со стержнем помещается лампа накачки. Лампа будет импульсной - все процессы в атомах проходят за миллионные доли секунды, так что надолго включать её нет смысла (она горит около одной тысячной доли секунды). Осветитель вместе со стержнем окружён отражателем, чтобы  ни один квант света накачки не пропал зря. Возле торцов рабочего стержня установлены два зеркала: сзади – глухое, отражающее весь падающий на него свет, спереди – полупрозрачное. Зеркала установлены строго параллельно друг другу и перпендикулярно оси стержня.

Устройство первого в мире твердотельного лазера на рубине (1- рубиновый стержень, 2- импульсная лампа накачки, 3- светоотражающий кожух, 4- лазерный луч, 5- полупрозрачное зеркало, 6- непрозрачное зеркало, 7- поджигающие электроды)                                                                         

Импульсная лампа с зеркальным отражателем «накачивает» энергию в рубиновый стержень. В веществе стержня, возбуждённом световой вспышкой, возникает лавина фотонов. Отражаясь в зеркалах, она усиливается и вырывается наружу лазерным лучом. Лазер отдаёт энергию за одну десятитысячную долю секунды.

Но не вся энергия света лампы накачки преобразуется в лазерную вспышку. Большая часть  энергии, увы! – уходит на  вредный нагрев стержня и зеркал. Охлаждаются лазеры потоком воды, воздуха, а иногда и жидким азотом. Частота  повторения  импульсов зависит от того, насколько  хорошо стержень лазера выдерживает высокую температуру. Рубиновые и неодимовые лазеры дают  одну-две вспышки в секунду, лазер на гранате – несколько сотен. Рекордная частота  генерации для импульсного лазера – двенадцать миллионов  вспышек в секунду. Излучение таких  лазеров воспринимается уже как непрерывное. Мощность таких лазеров можно сравнить с мощностью нескольких крупных электростанций и составляет тысячи ватт.

Но есть и недостатки твердотельных лазеров: во-первых, они достаточно дорогие, стержни могут выходить из строя из-за перегрева, и коэффициент полезного действия таких лазеров невелик – 5-8%.

Первый рубиновый лазер был создан в 1960 г.

Газовые лазеры.

Докладчик.                 

Газовые лазеры были созданы в том же 1960 году. Их рабочее вещество – различные газы, заключённые в стеклянные трубки.  Давление газов в этих трубках очень низкое, в сотни раз меньше атмосферного. На концах трубки – окошки, через которые луч света выходит наружу. Трубка, конечно, помещается между зеркалами. Всё как в импульсном лазере, только лампы накачки нет. Атомы газа можно возбуждать просто электрическим разрядом. Ток подводится через электроды, впаянные через электронную трубку. Необходимо прокачивать газ между зеркалами, а по дороге охлаждать. При этом отработанное, излучившее вещество быстро заменяется на свежее с только что возбуждёнными атомами. По дороге к зеркалам рабочее вещество успевает остыть, отдохнуть и в нужный момент вновь готово к работе.

 Трубка с возбуждённым газом  светится, как рекламная надпись в витрине магазина, а из её торцов выходят лучи разного цвета, в зависимости какой газ там находится: смесь гелия с неоном даёт красный луч, аргон – синий, ксенон – зелёный, криптон – жёлтый, а углекислый газ – невидимый тепловой, инфракрасный луч. Есть даже лазер на водяных парах, который даёт мощное тепловое излучение.

Газодинамический лазер  похож на реактивный двигатель и работает так же. В его камере сгорания сжигается угарный газ (окись углерода) с добавкой топлива (керосина, бензина, спирта). Получившаяся при этом смесь газов состоит из углекислого газа, азота и паров воды. Молекулы газов возбуждены и готовы к работе: ведь температура в камере сгорания доходит до тысячи градусов, а давление – до 20 атмосфер. Эти раскалённые газы из камеры сгорания вытекают через сопло. В нём газ разгоняется до сверхзвуковой скорости, охлаждаясь почти до нуля! Проносясь между зеркалами, молекулы газа начинают отдавать энергию в виде световых квантов, рождая лазерный луч, мощность которого 150-200 киловатт. КПД  газовых лазеров 10-15%.

Недостатком газовых лазеров являются: большие размеры (площадь до 20 м², высота установки около 3 метров), нужен насос, холодильник, различные фильтры.                           

Жидкостные лазеры.

Докладчик.                                

Жидкостный лазер легко сделать таким же мощным, как лазер твёрдотельный. Оптическая однородность жидкостей не  уступает однородности газов, а значит позволяет использовать большие её объёмы. К тому же жидкость тоже можно прокачивать через рабочий объём, непрерывно поддерживая её низкую температуру и высокую активность её атомов.

Наиболее широко распространены лазеры на красителях.Называются они так потому, что их рабочая жидкость – раствор анилиновых красок в воде, спирте, кислоте и других растворителях. Жидкость налита в плоскую ванночку-кювету, которая установлена между зеркалами. Энергия молекулы красителя «накачивается» оптически, только вместо лампы-вспышки на первых порах использовались импульсные рубиновые лазеры, а позднее – газовые лазеры. Лазер-накачку помещают в сторонке, вводя его луч в кювету через окошко в корпусе. Сейчас удалось добиться генерации света и с импульсной лампой, но не на всех красителях.     

Растворы могут  излучать импульсы света различной длины волны – от ультрафиолета до инфракрасного света и мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт, в зависимости от того, какой краситель налит в кювету.

Лазеры на красителях обладают интересной особенностью -  вынужденное излучение возникает сразу в широкой полосе длин волн.

Чтобы добиться от лазера  монохроматичности, на пути луча ставится светофильтр - набор стеклянных пластин, которые пропускают только свет одной длины волны. Меняя расстояние между пластинами, можно изменить длину волны лазерного излучения – от ультрафиолетовых до инфракрасных, достаточно сменить кювету с  рабочей жидкостью.  КПД таких лазеров 10-15%.

Полупроводниковые лазеры.

Докладчик.

Полупроводники – превосходный материал для лазеров. Способом накачки могут быть:  электрическое поле,  поток электронов,  электромагнитное излучение

 Если соединить вместе две пластины из полупроводников разных типов, то посередине образуется  так называемая «переходная зона», размер которой не толще  листа бумаги.  Атомы вещества, находящиеся в ней, способны возбуждаться при прохождении электрического тока поперёк зоны и генерировать свет. Полированные и посеребрённые грани  самого кристалла полупроводника становятся зеркальными. Разные полупроводниковые материалы могут излучать свет от инфракрасного до ультрафиолетового.

Среди этих лазеров можно выделить лазерный диод. Излучение в нём возникает за счёт возбуждения электронов и «дырок» в полупроводнике при прохождении тока через p-n переход в прямом направлении. Если имеется достаточная концентрация возбуждённых,  находящихся в зоне проводимости электронов, спонтанное излучение переходит в индуцированное и лазер на  полупроводнике начинает генерировать. Отполированные боковые грани делаются параллельными друг другу, они образуют резонансную систему лазера. Две другие грани полируются под углом одна к другой, чтобы в направлении этих граней не было излучения. К верхней и нижней частям кристалла, т.е. к областям с p и n проводимостью, подводятся контакты: «плюс» к p, «минус» к n области.

Лазеры на диодных p-n переходах очень эффективны, так как каждый попадающий в область перехода электрон излучает фотон. Благодаря высокой плотности носителей заряда в активной области, КПД таких лазеров достигает 60%. Существующие в настоящее время оптические квантовые генераторы на диодном переходе имеют малые размеры и значительную энергию излучения. Частоту сигналов полупроводниковых лазеров можно регулировать в значительных пределах изменением температуры.        

Можно возбуждать атомы полупроводника пучком электронов. Электроны проникают глубоко внутрь вещества, возбуждая большое количество атомов; ширина излучающей зоны оказывается раз в сто шире, чем при возбуждении электрическим током. Мощность таких лазеров достигает двух киловатт.

Мощность лазера можно увеличить с помощью «излучающего зеркала». Конструкция его проста до предела. На поверхность металлического зеркала  наносится слой полупроводника. На некотором расстоянии от него, параллельно ему, укрепляют второе, выходное полупрозрачное зеркало. На слой полупроводника  направляют «электронный прожектор», посылающий поток электронов. Всё это устройство помещают в колбу, из которой  откачен воздух. Задняя поверхность первого зеркала охлаждается потоком жидкости.

Пучок электронов можно сделать любой  нужной ширины. Кристалл полупроводника  может иметь площадь несколько квадратных сантиметров. Такой лазер может давать непрерывное излучение мощностью несколько сотен киловатт.     

Применение лазеров.

Докладчик.

1. Лазерная связь. Волоконный световод - тонкие стеклянные нити, в которых происходит полное отражение, и лучи не выходят наружу. По таким световодам можно передавать не только отдельные лучи, но и целые картины.

- При помощи световодов можно менять размеры изображения: если взять волокно, расширяющееся от начала к концу, изображение увеличится, если взять сужающее – уменьшится.

- По световоду можно посылать секретные сообщения, зашифровав их так, что посторонний,  даже перехватив сигнал, никогда не сможет  прочитать его.

- С помощью световодов можно тщательно осматривать внутренние детали машин и механизмов. Можно заглянуть в желудок. Такие приборы называются «эндоскопы».

- Гибкие и лёгкие стеклянные световоды могут заменить медные кабели линии связи – лазерная связь. Так работает кабельное телевидение. По одному волокну, по стеклянной нити чуть тоньше волоса, можно одновременно передавать 32000 телефонных переговоров и 60 цветных телевизионных программ!

2. Лазер режет, сваривает и куёт. А также закаливает, сверлит, кроит, проверяет качество деталей и делает множество других дел.

- Тонкую вольфрамовую проволоку для ламп накаливания протягивают через отверстия в алмазах, пробитые лазерным лучом;

- Лазерный луч сверлит отверстие в рубине при изготовлении подшипников для часов. На часовых заводах работают автоматические лазерные станки;

- Лазерный луч используется при бурении скважин в горной породе;

- На лазерном станке с программированным управлением быстро и точно обрабатывают твёрдую керамику, легированную сталь и другие материалы, которые можно одолеть только лазерным лучом;

- Лазерный луч сжигает любой, даже самый прочный и жаростойкий материал;

- Лазерный луч сваривает автомобильные детали толщиной до двух сантиметров. Шов при этом получается раза в четыре тоньше, чем при обычной электросварке, сварка идёт в пятьдесят раз быстрее, а электроэнергии тратится  в три раза меньше! Лазер позволяет легко сваривать металлы, которые обычным способом соединить нельзя и ремонтировать детали там, куда обычным инструментом проникнуть невозможно, - например, сваривать детали радиоламп прямо в вакуумной колбе, направив туда луч сквозь стекло.

- Лучом света можно резать сталь толщиной до сорока миллиметров.  Причём не только резать, но и вырезать из стального листа детали самой причудливой формы. Для этого  лазер делается подвижным. Его движением управляет электронно-вычислительная машина. Такая установка  может резать не только сталь, но и стекло, бумагу, фанеру, плиты из древесных стружек или асбеста.

- Лазерный луч может не только разрушать, но и упрочнять детали, закаливая их поверхности. Деталь при этом одевается закалённой «скорлупой», твёрдой и устойчивой к трению (зубья шестерён, детали коленчатых валов двигателей, шейки осей колесных пар электровозов).

Докладчик.

3. Лазер осветил Луну. Благодаря лазерному лучу удалось уточнить расстояние от Земли до Луны. Такие приборы  называются лазерными дальномерами.

- С помощью лазерного интерферометра можно определить, куда плывут материки, определять сверхмалые перемещения грунта (наклон Пизанской башни);

- С помощью лазерного сейсмографа можно предсказать, когда и где произойдёт очередное землетрясение, а также наблюдать за поведением  плотин, высотных зданий, башен.

4. Лазеры в геодезии.

- Геодезисты  - непременные участники любой крупной стройки, они строят профиль будущей трассы или стройплощадки. И здесь используется газовый лазер. Его луч сам, автоматически, без вмешательства человека, может прокладывать трассу прямо по заданному профилю. При помощи лазера можно строить профиль прямо с самолёта или вертолёта, даже  не опускаясь на землю;

- Лазер помогает сажать самолёты автоматически, без вмешательства человека. Идеально прямые, яркие лучи разноцветных лазеров образуют в воздушном пространстве аэродрома разметку, по которой самолёт может точно выйти на посадочную полосу.

5. Лазер – хирург и терапевт.

- Лазерный луч работает как скальпель, который делает разрез шириной в тысячную долю миллиметра, при этом «заваривает» сосуды, чтобы не было кровотечения, или, наоборот, пробивает в нём отверстие.

- Особенно удобен лазер в офтальмологии: лечат глаукому, латают сетчатку глаза, эффективен при отслойке сетчатки;

- При помощи лазера делают операции желудка и кишечника;

- Лазерный луч используют в стоматологии;

- Лазерный луч используют вместо иглоукалывания;

6. В растениеводстве. Лазерный луч повышает всхожесть семян, увеличивает содержание витамина «С» в помидорах, содержание сахара в свекле, повышается урожайность, все становятся устойчивее к болезням, легче переносят холода.

7. Голография – способ записи объёмного изображения на пластине. Оно получится, если на фотопластинку одновременно  попадут лучи света и от лазера и от предмета, освещённого этим лазером.

8. Лазер – оружие. В военном деле лазеры широко применяются как прицелы и указатели цели. Используют лазеры и для имитации стрельбы на учениях и для связи. Сегодня уже имеются опытные образцы боевых лазеров.

9. Косметология немыслима без таких назначений, как лазерная эпиляция и шлифовка, фотоомоложение. Волшебный луч устраняет мелкие и глубокие морщинки, удаляет родинки, папилломы, невусы, родимые пятна и сосудистые звездочки на лице, помогает избавиться от ненужных волос, улучшить состояние кожи при угревой сыпи и решить много других проблем. А еще лазером можно вывести татуировку! Он расщепляет краску до мельчайших частиц! Восстановительный период короче, чем при других методах.

Конечно, этими примерами не ограничивается применение лазеров.

Материалы, используемые при подготовке докладов:

1. Сергей Транковский «Книга о лазерах» Москва Детская литература, 1988г.
2. Л.С.Жданов, Г.Л.Жданов «Физика» для средних специальных учебных заведений, Москва, 2007 г
3. 5klass.net< Физика 10 класс> Лазеры физика. Ppt
4. Fizika.ayp.ru. <Лазеры>
5. Kazedu.kz> referat/53004
6. images.yandex.ru› полупроводниковые лазеры фото