75. Ярошевский М.Г., Зорина Л.Я. История науки и школьное обучение. – М.: Знание, 1978.
Лазер – друг или враг
Введение
Актуальность предлагаемого для изучения материала очевидна – лазер все шире проникает во все сферы жизни современного человека. Наши школьники пользуются CD-плэйерами, посещают дискотеки, где широко используются возможности лазера как источника света, обладающего особыми свойствами и яркостью. Знают, что лазеры применяются в системах связи и медицине. Не ослабевает интерес к исследованиям по применению лазеров в военном деле. Все эти и другие сведения о лазерах широко освещаются в прессе. Однако, в большинстве случаев, знания ребят этим и ограничиваются. Узнать чуть больше о самом лазере, об истории его создания и его возможностях поможет предлагаемый сюжет.
Общая направленность занятий
Цель этого сюжета – познакомить учащихся с применением законов физики, с использованием конкретных знаний об оптическом излучении в разработке приборов нового поколения – лазеров. ХХ век часто называли «лазерным», подчеркивая тем самым исключительную важность этих физических приборов для современных технологий.
Изучение вопросов применения лазеров в науке, технике, медицине, быту направлено на достижение следующих целей:
- развитие представлений школьников о физическом принципе действия и технических решениях различных видов лазеров;
- расширение знаний учащихся по применению физических эффектов в технических системах;
- повышение познавательного интереса школьников к физике путем ознакомления их с современными достижениями науки и техники, связанными с производством и использованием лазеров в различных сферах жизни общества.
Материал, который может быть предложен ученикам для знакомства и изучения, значителен по объему – это определяет формы работы с ним. Предпочтение надо отдать самостоятельной подготовке школьниками сообщений по отдельным вопросам или темам в виде рефератов или докладов с последующим представлением их на обсуждение в классе на уроке или школьной конференции.
Для организации дискуссии, живого обсуждения предлагаемого докладчиками материала, можно использовать различные известные приемы: готовить оппонентов, критиков, содокладчиков, экспертов и т.п.
Изучаемый материал должен быть представлен в виде сообщений на темы, затрагивающие не только применение лазеров, но и на по возможности подробное рассмотрение физических основ оптических квантовых генераторов, описание устройства лазерной установки, качественное объяснение физической сущности процессов, протекающих в активном элементе генератора.
Большой интерес могут вызвать опыты с применением школьного лазера или лазера-указки, представленные аудитории. Для иллюстрации рассмотренных принципов генерации излучения в лазерах следует использовать учебный диафильм «Квантовые генераторы».
Основное содержание
Вопросы, выносимые на рассмотрение:
1. Что мы знаем о свете.
2. Получение света с помощью лазера.
3. Применение лазеров.
4. Принципы голографии.
5. Делайте голограммы сами.
Принцип работы квантового оптического генератора основан на том, что возбуждение светом атома и последующий переход его обратно в стационарное состояние проходит разными путями. Вначале атом вынужденно переходит в возбужденное неустойчивое состояние. Время жизни этого состояния очень мало. Затем атом спонтанно переходит на метастабильный уровень, на котором время жизни более продолжительно.
В результате различия времени жизни этих состояний через некоторый промежуток времени после начала возбуждения (освещения) большое число атомов будет находиться на метастабильном уровне. Затем лавиной все атомы (почти одновременно) перейдут с этого уровня в невозбужденное состояние. При этом каждый атом будет излучать свет одной и той же частоты и практически в одной фазе. Получается мощный импульс монохроматического света. Возбуждая атом снова (соответствующим освещением), можно добиться повторного излучения.
Изучая принцип действия лазеров, необходимо выделить три основных момента – создание активной среды, процесс усиления света активной средой, реализация условий осуществления обратной связи между активной средой и распространяющейся в ней световой волной.
Интересно рассмотреть вопросы, связанные с историей создания лазеров от идеи до ее реального воплощения. Этот материал показывает, что научные и технические открытия реализуются в науке в основном тогда, когда они находят применение в практической деятельности общества. Если эта значимость не является очевидной, то открытие может быть забыто, как это произошло с лазером.
Еще в 1916 г. А.Эйнштейн ввел понятие вынужденного излучения. В 1940 г. В.А.Фабрикант указал на возможность использования этого излучения для усиления электромагнитных волн и даже рассчитал условия, при которых этот процесс будет наблюдаться. Однако потребовалось почти 15 лет, чтобы наши ученые А.М.Прохоров и Н.Г.Басов, а также независимо от них американец Ч.Таунс «заново открыли» возможность создания усилителей, а затем и генераторов электромагнитных волн, основанных на использовании вынужденного излучения. В начале 60-х годов у нас в стране был разработан первый лазер на смеси гелия и неона, а спустя четыре года уже было налажено их промышленное изготовление.
Возможности лазера огромны. Сфокусированный до толщины человеческого волоса луч лазера легко пробивает тончайшие отверстия в самых твердых веществах: алмазе, карбиде бора, в сверхтвердых искусственных материалах. Лазеры применяют для точечной сварки миниатюрных деталей полупроводниковых приборов, плавки в вакууме тугоплавких металлов, выплавления сверхчистых металлов из руд, обработки керамики и других операций, где необходима предельная концентрация энергии.
Лазеры играют заметную роль в хирургии, т.к. лазерный нож почти герметически закупоривает любой разрезанный сосуд.
С их помощью можно решить энергетическую проблему, если удастся осуществить управляемый лазерный термоядерный синтез.
В Австралии построен маяк, оборудованный лазером, создающим столь яркий луч света, что он видим на много миль вокруг даже в плохую погоду.
Лазеры используются в системах связи, в метрологии, в искусстве и космических исследованиях – везде они служат людям. Однако есть и другая сторона этого открытия – лазер может убивать. Первое военное применение лазер нашел в устройстве для наведения бомб, ракет и артиллерийских снарядов. Лазерное наведение бомб американские войска впервые использовали во Вьетнаме в апреле 1972 г. Сейчас американские военные разрабатывают лазер, способный повалить человека. Это оружие окрестили импульсной энергетической пулей или сокращенно РЕР. Стрелять из этого «бластера межзвездного рейнджера», судя по официальным документам министерства обороны, начнут уже в 2006 году. С двух километров с его помощью можно разогнать толпу хулиганов. Появлению этого проекта предшествовал другой – создание боевого импульсного лазера, который Пентагон начал десять лет назад. Недавно военные с помощью построенного в Израиле лазера сбили пушечный снаряд. Чем станет для нас лазер – помощником или убийцей – предстоит решать нам самим.
Знакомство с принципами голографии можно начать с рассмотрения двух плоских волновых фронтов, которые, взаимодействуя, создают интерференционную картину. Эту картину фиксируют на фотографической пластине, помещенной в то же место, где находился экран. В голографии данная стадия процесса называется регистрацией или записью голограммы. Одна из рассматриваемых плоских волн называется опорной, вторая – предметной. Она отражается от предмета, изображение которого регистрируется. Интерференционная картина, записанная на фотопластинке, и есть голограмма. Если ее поместить на пути первичной опорной волны, то появится возможность восстановить другую плоскую волну. Этот этап голографического процесса называется восстановлением изображения.
Таким образом, голографию можно определить как метод записи, восстановления и преобразования волновых фронтов.
Идея голографического метода записи волновых полей была высказана английским ученым Д.Габором в 1948 г. Он создал основы метода и смог получить восстановленные изображения с голограмм в видимом свете.
После знакомства с принципом голографии можно перейти к рассмотрению основных направлений применения голографии. Ее практические применения очень многообразны, поэтому можно ограничиться теми, которые вызовут наибольший интерес учащихся.
Как изобразительное средство голограммы используются в музейных экспозициях, на выставках, в рекламном деле. Голография дает нам визуальную копию объекта, которая почти во всех отношениях соответствует оригиналу. О голографии часто говорят как о трехмерной фотографии.
В США создан музей голографии, где постоянно действуют выставки голограмм различных типов и работ художников, экспериментирующих в данном направлении. Известно, что несколько голограмм сделал Сальвадор Дали.
Голография служит инструментом исследования быстропротекающих процессов. С ее помощью из плоских изображений получают трехмерные.
Одной из наиболее полно разработанных областей голографии является голографическая интерферометрия.
Методы голографии значительно пополнили средства и расширили возможности оптической обработки информации. Голографические методы регистрации и обработки информации, в свою очередь, открыли новый подход к получению изображений акустических полей. Плодотворным оказалось применение методов голографии в антенной и других отраслях техники.
Познакомившись с голографией, учащиеся, возможно, захотят сами попытаться изготовить голограммы. Если школа имеет готовую голографическую лабораторию, то в ней за час можно записать голограмму. Можно самим изготовить отдельные элементы и оборудование для собственной голографической установки. Сведения о существующих разработках по данной теме приведены в ряде работ, представленных в списке литературы.