Урок 13. Рассказ учителя. Лазеры. Применение в технике. Текст.

Урок: "Лазеры – удивительные лучи современности"

— Ребята, сегодня мы поговорим о лазерах. Вы наверняка видели лазерную указку или считыватель штрих-кодов в магазине. Но знаете ли вы, как это работает?

1. Принцип действия лазера

— Представьте атом, который "проглотил" порцию энергии – например, от вспышки лампы или электрического разряда. Электрон внутри него перескакивает на более высокий уровень. Но долго там не задерживается – через мгновение он возвращается обратно, испуская фотон. Это спонтанное излучение – как фейерверк, где каждый атом "взрывается" сам по себе.

— А теперь представьте, что мимо возбуждённого атома пролетает фотон с точно такой же энергией. Он "подталкивает" электрон, заставляя его быстрее вернуться в исходное состояние. При этом рождается второй фотон – точная копия первого! Это и есть вынужденное излучение – основа работы лазера.

— Формула Эйнштейна для вынужденного излучения:

$$\frac{N_2}{N_1}=e^{-\frac{h\nu }{kT}}$$

где $N_2$ – число возбуждённых атомов, $N_1$ – число атомов в основном состоянии, $h\nu$ – энергия фотона, $k$ – постоянная Больцмана, $T$ – температура.

— В обычных условиях возбуждённых атомов мало, но если создать инверсию населённостей (когда возбуждённых больше, чем невозбуждённых), процесс становится лавинообразным. Для этого нужны:

1. Активная среда (например, рубин, смесь гелия и неона или полупроводник).

2. Система накачки (лампы, электрический ток).

3. Зеркала – они заставляют фотоны бегать туда-сюда, умножая число "клонов".

— В итоге через полупрозрачное зеркало вырывается лазерный луч – мощный, узкий и когерентный.

2. Свойства лазерного излучения

— Чем же лазерный свет отличается от света лампочки?

1. Когерентность – все волны "шагают в ногу". Именно поэтому лазер используют в голографии – вы видели объёмные изображения на кредитных картах? Это и есть записанная лазером интерференционная картина.

2. Монохроматичность – только одна длина волны. Вспомните лазерные шоу: зелёный, красный, синий лучи не смешиваются, потому что каждый лазер даёт чистый цвет.

3. Направленность – луч почти не расходится. Благодаря этому лазерные дальномеры измеряют расстояние до Луны с точностью до сантиметра!

4. Высокая мощность – сфокусированный луч может прожигать металл (промышленные лазеры) или испарять опухоль (медицинские лазеры).

3. Лазеры вокруг нас

— Где ещё вы встречали лазеры?

• В медицине:

  • LASIK – лазерная коррекция зрения. Тончайший луч испаряет микроскопические слои роговицы, меняя её форму.

  • Удаление татуировок – лазер дробит частицы краски, которые потом выводятся организмом.

• В быту:

  • Считыватели штрих-кодов в магазине – лазерный луч отражается от чёрных и белых полос, превращая их в цифры.

  • Оптоволоконный интернет – импульсы лазера несут информацию со скоростью света.

• В науке:

  • Термоядерный синтез – гигантские лазеры (как NIF в США) разогревают мишень до миллионов градусов.

— Кстати, первый лазер был создан в 1960 году, и сегодня без них немыслима ни одна высокотехнологичная отрасль!

— На этом наш урок закончен. Запишите домашнее задание: придумайте, как можно применить лазер в будущем – может быть, в космической связи или в умных домах? До встречи на следующем занятии!