Какие свойства излучения относятся к лазерному излучению
Естествознание, 11 класс
Урок 19. Свойства лазерного излучения. Использование лазеров
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
- Какие свойства у лазерного излучения?
- Какие типы лазеров существуют?
- Где применяются лазеры?
Глоссарий по теме:
Лазер – оптический квантовый генератор
Спонтанное излучение – самопроизвольное излучение кванта света атомом или молекулой при переходе электрона на более низкий энергетический уровень
Вынужденное излучение – явление испускания фотонов определённой частоты возбужденными атомами, молекулами и другими квантовыми системами под действием фотонов (внешнего излучения) такой же частоты
Метастабильное состояние атома – возбужденное энергетические состояние, которое может существовать достаточно долго ≈ 10-3с
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
- Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §28, С. 100-103.
- Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.
- https://fb.ru/article/251655/printsip-deystviya-lazera-osobennosti-lazernogo-izlucheniya
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Изучая корпускулярные свойства света, мы уже познакомились с лазером. Процесс излучения обусловлен переходом электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий. Излучение кванта света в таком процессе происходит самопроизвольно и называется спонтанным излучением. Лазер усиливает свет за счёт вынужденного излучения.
Рассмотрим устройство лазера на примере рубинового.
В центре находится кристалл рубина, состоящий из атомов алюминия и кислорода с небольшой примесью атомов хрома. Этот кристалл имеет строго параллельные торцы и на него навита спиральная газоразрядная лампа, называемая – лампа накачки. Под действием света лампы атомы хрома переходят на метастабильный уровень. Параллельные торцы кристалла покрывают тонким слоем серебра, делая их зеркальными, при этом один из зеркальных торцов делают частично прозрачным. Выходящее из этого торца излучение и представляет собой луч лазера. Устройство, обеспечивающее многократное отражение фотонов только одного направления, называется резонатором. Резонатор состоит из рабочей зоны с зеркалами с двух сторон. Причём одно из них частично прозрачное.
Рассмотрим свойства лазерного излучения.
Высокая монохроматичность: при разложении лазерного излучения в спектр получается очень узкая линия, намного уже, чем для естественного света. Это свойство оказалось важным для научных исследований в области спектроскопии, молекулярной физики и химии.
Лазерное излучение кроме высокой монохроматичности обладает также очень малым угловым расхождением пучка (в 104 раз меньше, чем у традиционных оптических осветительных систем, например, у прожектора). Малая угловая расходимость позволяет фокусировать излучение линзами и вогнутыми зеркалами вплоть до 1 мкм и создавать значительные плотности мощности на облучённых участках. По этому показателю лазерное излучение превосходит излучение всех других источников света.
Ещё одно свойство – высокая интенсивность и короткая длительность. Она позволяет сконцентрировать в малом объеме значительную энергию. Лазер не требует времени для нагрева, поэтому возможно получать импульсы длительностью 10-15с. Это позволяет рассмотреть даже процесс протекания быстрых химических реакций.
Помимо всех вышеперечисленных свойств также можно выделить когерентность и поляризованность. Эти характеристики важны в диагностических исследованиях. Лазерное излучение обладает высокой когерентностью за счет явления вынужденного излучения. Излучение, создаваемое отдельными точками активной среды, имеет сдвиги фазы, соответствующие распространению одной плоской электромагнитной волны, так что из лазера выходит электромагнитная волна с постоянной фазой и амплитудой.
Конструкции лазеров очень разнообразны. Лазеры различаются: способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей активной средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и т.д.); конструкцией резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный). Эти различия определяются многообразием требований к характеристикам лазера в связи с его практическими применениями.
Благодаря своим особым свойствам по сравнению с другими источниками света лазеры широко применяются во многих областях деятельности человека.
Узкий нерасходящийся луч применяется при строительстве туннелей, метрополитенов, когда необходимо провести прямую линию на большое расстояние. При помощи специальной установки создается лазерный луч, определяющий трассу. Ориентируясь на него, управляющий экскаватором человек может стабильно трудиться. Также это свойство лазеров применимо для создания оружия с оптическим прицелом. Используя хорошо отлаженное оружие, пуля попадает точно в пятно, образованное лазером на мишени
Точная фокусировка лазерного луча позволяет использовать его для записи информации на оптические диски.
Высокая интенсивность излучения используется в медицине, в частности в микрохирургии. Лазер представляет собой тончайший скальпель, с помощью которого можно вырезать мельчайшие участки ткани.
Это же свойство применяется и других устройствах для разрезания различных материалов, проделывания отверстий. При воздействии лазерного излучения на материалы облучаемый участок сначала нагревается, затем плавится и испаряется. Дозируя тепловые нагрузки, можно обеспечить практически любой тепловой режим нагреваемого участка, который в результате и определяет вид технологической обработки.
Использование лазеров привело к открытию совершенно новых областей исследования. Особенно ярким примером новой области исследования является нелинейная оптика. Высокая интенсивность лазерного излучения позволяет наблюдать явления, обусловленные нелинейным откликом среды: генерация гармоник, вынужденное рассеяние и др.
С появлением лазеров спектроскопия не только расширила свои прежние возможности, но и получила совершенно новые идеи. Использование одночастотных лазеров позволило проводить спектроскопические измерения с разрешающей способностью, которая на много порядков превышает разрешение, достигаемое с помощью обычных спектроскопических методов. Это открыло путь к новому и более детальному изучению структуры вещества.
Осуществление термоядерного синтеза и использование его в мирных целях позволит человечеству получить неограниченный источник энергии. Предполагают, что лазеры позволят создать высокую температуру для дейтериево-тритиевой плазмы и удержания этой плазмы.
Лазеры, обладая высокой монохроматичностью, применяются в голографии.
Полупроводниковые лазеры применяются для передачи информации в быту и системе космической связи
Всё большее применение лазеры находят в искусстве. С их помощью создаются феерические быстроизменяющиеся живописные картины на сцене.
Таким образом благодаря уникальным свойствам лазеры находят применение в различных областях промышленности, в медицине, искусстве, военном деле.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Текст задания 1.:
Попарно соединяя овалы, решите ребус-соответствие:
Фразы:
- Прибор, в котором используют лазерный луч
- Оптический квантовый генератор
- Оптический прибор для просмотра стерео-слайдов
- Стереоскоп
- Дисковод
- Лазер
Правильный вариант: надписи в соединённых фигурах должны составить следующие фразы:
- Прибор, в котором используют лазерный луч – дисковод
- Оптический квантовый генератор – лазер.
- Оптический прибор для просмотра стереослайдов – стереоскоп.
Текст задания 2.:
Разместите предложенные варианты ответов в две колонки по указанному критерию
Типы лазеров по способу накачки | Типы лазеров по виду активной среды | Свойства лазерного излучения |
Монохроматичность, твёрдотельные, интенсивность, полупроводниковые, жидкостные, когерентность, химические, газовые, оптические, электрические, направленность
Правильные варианты
Типы лазеров по способу накачки | Типы лазеров по виду активной среды | Свойства лазерного излучения |
Оптические, электрические, полупроводниковые, химические | Твердотельные, жидкостные, газовые | Монохроматичность, интенсивность, когерентность, направленность |
Лазерное излучение является видом физической энергии, не встречающимся в природных источниках света. Оно вырабатывается специальными приборами — оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) различной конструкции, получившими название – лазеры (от английского словосочетания Light amplification by stimulated emission of radiation — LASER). Принципы его выработки ОКГ были одновременно и независимо открыты в начале 60-х годов российскими и американскими физиками, а уже в конце того же десятилетия были предприняты первые попытки лечебного применения низкоинтенсивных (терапевтических) лазеров, в том числе и для косметологии.
Полупроводниковые и газо-жидкостные лазеры
Лазерное излучение испускается атомами рабочего вещества ОКГ, которое может быть представлено газом, жидкостью, кристаллом, полупроводником.
Лазерное излучение – это электромагнитное излучение оптического диапазона (светового), обладающее такими свойствами как когерентность, монохроматичность, поляризованность и направленность потока излучения, что позволяет создать строго определённую мощность воздействия на поверхности облучаемого объекта.
Лазер – это прибор, который испускает направленный пучок когерентного, поляризованного, монохроматичного электромагнитного излучения, т.е. света в очень узком спектральном диапазоне.
Физические свойства излучения
- Монохроматичность (одноцветность) – все электромагнитные колебания потока имеют одинаковую частоту и длину волны.
- Когерентность (синфазность) — совпадение фаз электромагнитных колебаний.
- Поляризация — фиксированная ориентация векторов электромагнитного излучения в пространстве относительно направления его распространения.
- Направленность — малая расходимость потока излучения.
Особые свойства позволяют концентрировать энергию со строго определенными физическими параметрами и высоким потенциалом биологического и лечебного действия на поверхности объекта. Именно в этом заключается принципиальное отличие от других форм лучистой энергии.
Длина волны лазера
Волна – возмущение (изменение состояния среды или поля), распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.
Длина волны — расстояние, на которое распространяется волна за период, равный расстоянию между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися в одной фазе. Длина волны электромагнитного излучения оптического диапазона измеряется в нанометрах (нм) или микрометрах (мкм) (1 мкм = 1 000 нм).
Частота импульсов лазера
Частота колебаний (импульсов) – физическая величина, равная числу колебаний (импульсов), совершаемых за единицу времени. Единица измерения в СИ – герц (Гц). 1 Гц – эта частота, при которой 1 колебание совершается за одну секунду.
Мощность лазера
Мощность излучения — средняя мощность, переносимая через какую-либо поверхность. Единица измерения в СИ — Ватт (Вт). Плотность мощности — отношение потока излучения к площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения. Единица измерения в СИ — Вт/см2.
Доза облучения — энергетическая облученность за определенный промежуток времени. Единица измерения в СИ — Дж/м2. 1Д – энергия, полученная при воздействии излучением мощностью в 1 Вт за 1 с. 1 Дж = 1 Вт/1с.
Длина волны лазерного излучения
Одной из важнейших характеристик является длина волны (измеряется в нанометрах или микрометрах). В зависимости от длины волны может принадлежать к различным участкам спектра: ультрафиолетовому, видимому (чаще красному) и инфракрасному.
Спектр лазерного излучения (цвет лазера)
Ультрафиолетовый диапазон
- От 180 до 400 нм.
Видимый спектр
- Фиолетовый 400-450 нм.
- Синий 450-480 нм.
- Голубой 480-510 нм.
- Зелёный 510-575 нм.
- Жёлтый 575-585 нм.
- Оранжевый 585-620 нм.
- Красный 620-760 нм.
Инфракрасный диапазон
- Ближняя область 760 нм -15 мкм.
- Дальняя область 15-30 мкм.
В физиотерапии наиболее часто применяют ближний инфракрасный диапазон, который обладает наибольшим проникающим действием и мягкими биологическими и лечебными эффектами.
Интенсивность лазерного излучения
В зависимости от выходной мощности лазеры подразделяются на:
- Низкоэнергетические (плотность мощности излучения менее 0.4 Вт/см2).
- Среднеэнергетические (плотность мощности излучения 0.4-10 Вт/см2).
- Высокоэнергетические (плотность мощности излучения более 10 Вт/см2).
Автор статьи Команда профессионалов АЮНА Professional
Лазерное излучение — вынужденное испускание атомами вещества квантов электромагнитного излучения.
Лазерное излучение способно распространяться на значительные расстояния и отражаться от границы раздела двух сред, что позволяет применять эти свойства для целей локации, навигации и связи.
Лазерное излучение используется для обработки различных материалов (резание, сверление, поверхностная закалка и др.).
Действие лазерного излучения на человека весьма сложно.
Лазерное излучение представляют опасность для органа зрения. Сетчатка глаза может быть поражена лазерами видимого (0,38-0,7 мкм) и ближнего инфракрасного (0,75-1,4 мкм) диапазонов. Лазерное ультрафиолетовое (0,18-0,38 мкм) и дальнее инфракрасное (более 1,4 мкм) излучения не достигают сетчатки, но могут повредить роговицу, радужку, хрусталик.
Лазерное излучение представляет опасность для кожи, вплоть до возникновения ожогов кожи.
Так же улиц, длительно работающих с лазером, могут развития различные неврозы и проблемы с сердечно-сосудистой системой.
Первые Предельно допустимые уровни лазерного излучения (ПДУ ЛИ) в России для отдельных длин волн были установлены в 1972 г., а в 1991 г. введены в действие «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» СанПиН 5804-91.
Профилактика вредного действия лазерного излучения .
Защиту от лазерного излучения осуществляют техническими, организационными и лечебно — профилактическими методами и средствами, а именно:
- рациональное размещение лазерных технологических установок;
- соблюдение порядка обслуживания установок;
- использование минимального уровня излучения для достижения поставленной цели;
- применение средств защиты;
- ограничение времени воздействия излучения;
- назначение и инструктаж лиц, ответственных за организацию и проведение работ;
- организация надзора за режимом работ;
- контроль за уровнями опасных и вредных факторов на рабочих местах;
- посещение не реже чем 1 раз в 2 года офтальмолога, дерматовенеролога, невролога.
Производственные помещения, в которых эксплуатируются лазеры, должны отвечать требованиям действующих санитарных норм и правил. Лазерные установки размещают таким образом, чтобы уровни излучения на рабочих местах были минимальными.
Средства защиты от лазерного излучения должны обеспечивать предотвращение воздействия или снижение величины излучения до уровня, не превышающего допустимый. По характеру применения средства защиты подразделяются на средства коллективной защиты (СКЗ) и средства индивидуальной защиты (СИЗ). Надежные и эффективные средства защиты способствуют повышению безопасности труда, снижают производственный травматизм и профессиональную заболеваемость.
К СКЗ от лазерного излучения относятся: ограждения, защитные экраны, блокировки и автоматические затворы, кожухи и др.
СИЗ от лазерного излучения включают защитные очки, щитки, маски и др. Средства защиты применяются с учетом длины волны лазерного излучения, класса, типа, режима работы лазерной установки, характера выполняемой работы.
Средства индивидуальной защиты глаз и лица (защитные очки и щитки), снижающие интенсивность лазерного излучения до предельно допустимого уровня, должны применяться только в тех случаях (пусконаладочные, ремонтные и экспериментальные работы), когда коллективные средства не обеспечивают безопасность персонала.
При работе с лазерами должны применяться только такие средства защиты, на которые имеется нормативно-техническая документация, утвержденная в установленном порядке.
Голограмма
Выберите один вариант ответа. Как известно голограммы создают при помощи лазерного луча. В чём основная особенность голограмм?
Вспомните как выглядят голограммы.
Они трёхмерные |
Они красивые |
Они современные |
Они стереоскопически |
Спонтанное излучение
Заполните пропуски в тексте.
Речь идёт об излучении атомами.
Спонтанное излучение возникает при переходе из состояния в состояние.
электрона
возбуждённого
основное
Свойства лазерного излучения
Вычеркните неверные утверждения.
Вспомните строение и принцип действия лазера.
- Излучение под действием падающего света называют основным.
- Спонтанное излучение возникает при переходе электрона из основного состояния в возбуждённое.
- Частоты и направление всех фотонов, вылетающих из лазера одинаковы.
- Лампа накачки имеет форму цилиндра.
Свойства лазерного излучения
Выделите мышкой 4 свойства лазерного излучения.
Вынужденное излучение
Заполните пропуски в тексте. Для этого наберите пропущенные слова на клавиатуре компьютера.
Речь идёт об усилении света лазером.
Вынужденное излучение возникает при переходе электрона из
состояния в
состояние под действием
.
Свойства лазерного излучения
Использование лазерного излучения
Соедините попарно фигуры так, чтобы получились верные утверждения.
Вспомните назначение приборов и принцип их действия.
Свойства лазерного излучения
Подчеркните правильный ответ.
Излучение атомов под действием падающего света называют:
- активным излучением
- вынужденным излучением
- основным излучением
- пассивным излучением
Типы лазеров
Выделите мышкой 4 типа лазеров по способу накачки.
Вспомните классификацию лазеров.
Классификация лазеров и свойства лазерного излучения
Распределите элементы по соответствующим группам.
Типы лазеров по способу накачки | Типы лазеров по виду активной среды | Свойства лазерного излучения |
|---|---|---|
Оптические
Электрические
Полупроводниковые
Химические
Твердотельные
Жидкостные
Газовые
Монохроматичность
Интенсивность
Когерентность
Направленность
Использование лазеров
Заполните пропуски в тексте, выбрав правильные варианты ответа из выпадающего меню.
Высокая
применяется для разрезания различных материалов, проделывания отверстий. При воздействии лазерного излучения на материалы облучаемый участок сначала
, затем
и
.
Свойства лазерного излучения
Выберите несколько вариантов ответа. К свойствам лазерного излучения относится:
инверсность
направленность
инерционность
монохроматичность
когерентность
интенсивность
Использование лазеров
Выберите один вариант ответа. Какое свойство лазерного излучения применяется в микрохирургии глаза?
Интенсивность |
Монохроматичность |
Направленность |
Когерентность |