Методика изучения оптических квантовых генераторов

ГЛАВА II. МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА УРОКА НА ТЕМУ «ЛАЗЕРЫ». 
 

Цели  урока:

Обучающие - Изучить устройство и принцип действия лазера и его применение в науке и технике.

Развивающие - Развивать умение думать, сопоставлять, обобщать, анализировать, расширить кругозор учащихся.

Воспитательные - Прививать познавательный интерес к предмету, воспитывать умение работать в коллективе: высказывать свое мнение, выслушивать товарища. 

Оборудование:

ПК, CD «Открытая  физика 1.1», мультимедиапроектор, компьютерная презентация урока, экран, лазер  лабораторный, дифракционная решетка, штатив, экран с миллиметровой бумагой.

 

Ход урока

Вступительное слово учителя:

В 2010 году исполняется ровно полвека с  момента создания первого в мире лазера. Вторая половина XX-го века ознаменовалась яркими достижениями научно-технического прогресса: овладение ядерной энергией, освоение космоса, развитие радиолокационной техники, производство компьютеров... Среди этих достижений достойное место занимает создание лазеров и развитие лазерной техники.

I. Организационный  этап

слайды 1, 2, 3. Сообщение названия, целей и плана урока.

слайд 3. План:

• Открытие индуцированного излучения
• Принцип действия лазера
• Трехуровневая система
• Устройство рубинового лазера
• Типы лазеров
• Применение лазеров

II. Повторение опорных  знаний

1. Что  представляет собой свет согласно  квантовой теории?

2. Сформулируйте I постулат Бора.

3. Сформулируйте  II постулат Бора.

Имеют ли эти понятия практическое значение? Влияют ли эти знания на нашу жизнь? Какие физические явления объяснила  и предсказала квантовая физика как теория?

III. Изучение нового  материала

слайд 4. Открытие индуцированного излучения

Лазер - удивительное изобретение XX века. Слово  лазер образовано как сочетание первых букв слов английского выражения “Light Amplification by Stimulated Emission Radiation”- «усиление света при помощи индуцированного излучения»

слайд 5:

Под индуцированным (вынужденным) излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света.

Замечательной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении волна не отличается от волны, падающей на атом ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

слайд 6:

В 1916 г  Эйнштейн высказал идею о существовании  эффекта вынужденного излучения.

слайд 7:

В 1940 г  советский физик В.А. Фабрикант  указал на возможность использовать вынужденное излучение для усиления электромагнитных волн.

слайд 8:

В 1954 г  Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и независимо от них Ч. Таунс разработали принцип  генерации и усиления радиоволн, используя явление индуцированного  излучения.

В 1963 г  за разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии.

слайд9:

1916 –  1960 г - «Золотой век» создания чудесного луча. В 1960г в США был создан первый лазер в видимом диапазоне спектра (ОКГ).

слайд 10:

Впервые в нашей стране созданы полупроводниковые лазеры. Жорес Иванович Алферов - автор основополагающих работ в области многослойных гетероструктур, ставших основой современных полупроводниковых лазеров. Жорес Алфёров – лауреат Нобелевской премии в области физики за 2000 год.

Перед вами лабораторный лазер. У многих из вас есть и лазерные указки. Что  же особенного в этих источниках света? Высокая оценка изобретения лазера, наверное, заслуженная?

Дело  в том, что лазерные источники  света обладают рядом преимуществ  по сравнению с другими источниками света.

слайд 11. Свойства лазерного излучения:

• Когерентность. (Атомы излучают свет согласованно).
• Малый угол расхождения (около 10^-5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.
• Монохроматичность
• Большая мощность. У некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 10¹⁷ Вт/см². Для сравнения: мощность излучения Солнца равна только 7·10³ Вт/см².

слайд 12. Принцип действия лазера:

В квантовой  системе с двумя выделенными  уровнями при взаимодействии с излучением могут происходить различные процессы.

а) поглощение.

В обычных  условиях атомы не возбуждены –  находятся в низшем энергетическом состоянии. Атом, поглотивший энергию  , переходит в возбужденное состояние.

б) спонтанное излучение.

Возбужденный  атом может самопроизвольно испустить  фотон в любом направлении.

в) вынужденное излучение.

Возбужденный  атом может перейти в низшее состояние  и не самопроизвольно, а под влиянием внешнего воздействия. При этом излучается волна, совпадающая по частоте и фазе с падающей и волна усиливается.

Т.о. для  вынужденного излучения нужно искусственно создать перенаселенность верхних  энергетических уровней. Этот процесс  называется накачка. Накачка должна перевести двухуровневую среду в состояние, в котором количество атомов на верхнем уровне превышает количество атомов на нижнем. Такое состояние среды называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а сама среда называется активной.

слайд 13. Лазер – компьютерная двухуровневая модель (CD «Открытая физика»)

слайд 14. Трехуровневая система

Двух  уровней энергии для работы лазера недостаточно, т.к. необходимо, чтобы  число возбужденных атомов было больше невозбужденных. Поэтому используются 3 «работающих» энергетических уровня.

Для возбуждения  атомов используется мощная лампа. После  ее вспышки атомы переходят в состояние 3, где время жизни мало – 10^-8с, затем самопроизвольно переходят в состояние 2. Время жизни в состоянии 2 в 100 000 раз больше -10^-3с. Т.о. создается «перенаселенность» возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным 1.

Переход между уровнями E3 и E2 безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E2 и E1.

Необходимые энергетические уровни имеются в  кристаллах рубина. Рубин- это красный  кристалл оксида алюминия Al₂ O₃ c примесями атомов хрома.

В кристалле  рубина уровни E1, E2 и E3 принадлежат примесным атомам хрома

слайд 15.Устройство рубинового лазера (сообщение 1 ученика)

слайд 16. Типы лазеров

Сразу же после появления в 1960г первого  лазера началось бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров. В настоящее время в качестве рабочих веществ в лазерах используются самые различные материалы. Генерация получена более чем на ста веществах: кристаллах, активированных стеклах, пластмассах, газах, жидкостях, полупроводниках, плазме. Поэтому лазеры бывают: твердотельные (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовые (например, гелий-неоновый, аргоновый и т.п.), жидкостные, полупроводниковые. Различают также лазеры по характеру излучаемой энергии. Если энергия излучается импульсно, то говорят об импульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным излучением. Есть лазеры и со смешанным режимом работы, например полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят о широкополосном лазере. Рабочий диапазон существующих оптических квантовых генераторов изменяется от ультрафиолетового излучения с длиной волны 0,3 мкм до инфракрасного с длиной волны 300 мкм.

слайды 17-18. Применение лазеров

Уникальные  свойства лазерного луча, многообразие конструкций современных лазеров  обуславливают широкое применение лазерных технологий в различных  областях человеческой деятельности: промышленности, науке, медицине и быту. 

слайд 19. «Профессии» лазера (сообщение 1 ученик)

слайд 20. Лазер в медицине (сообщение 1 ученик)

слайд 21: Использование лазеров в информационных технологиях (сообщение 4 ученика)

IV Закрепление

слайд 22. Экспериментальная задача: Определить длину волны излучения лабораторного лазера

Оборудование:

1. лазер  лабораторный 

2. дифракционная  решетка с периодом d = 1/100 мм,

3. демонстрационная  линейка, 

4. экран  с миллиметровой бумагой,

5. штатив.

Выполнение  работы:

1. Укрепляем  дифракционную решетку в лапках  штатива.

2. Включив  лазер, направляем луч света  на дифракционную решетку так,  чтобы на экране получилась отчетливая дифракционная картина. Строго следим за тем, чтобы лучи лазера (падающие, отраженные) не светили в глаза учеников.

3. Линейкой  измеряем на экране расстояние x от максимума нулевого порядка  до максимума первого порядка.

4. Измеряем  расстояние L от дифракционной решетки до экрана.

5. Выключаем  лазер.