НПК «Я – исследователь»  -2018

МБОУ «Гимназия №5»

Тема: Изучаем ЛАЗЕР.

научно-исследовательская работа в номинации

«естественные и точные науки».

Барнаул 2018

Оглавление

Введение.        3

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ        3

ГИПОТЕЗА.        3

ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ.        4

Объект исследования.        4

Основные понятия        4

Устройство лазера. Лазерные указки.        5

Исследование.        6

ПРИМЕНЕНИЕ В КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ:        6

ЛИТЕРАТУРА:        8

ПРИЛОЖЕНИЯ:        8

Введение.

Своё исследование я хотел бы посвятить чему-то важному и нужному, что активно изучается сейчас и от чего зависит развитие техники в будущем. В качестве предмета исследования был выбран лазер и его внутреннее устройство.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

В цели моего исследования входили следующие пункты (сл.2)

- Изучить устройство лазера, чтобы понять от чего зависит видимость и длина луча;

- Проверить максимальную длину луча профессионального лазера;

- Рассмотреть применение лазерного луча, основываясь на выводах о его максимальной длине.

На основании поставленных целей в своей работе я решал следующие задачи (сл.3).

- Приобрести  зеленый лазер;

- Изучить описание и технические характеристики лазеров. Сравнить красный лазер-указку и зеленый лазер;

- Описать перспективы использования лазера для передачи данных;

ГИПОТЕЗА.

Если длина луча теоретически не ограничена, то возможно применение лазерного луча для скоростной космической связи.

ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ.

Объект исследования.

Чтобы лучше понять на сколько мощным может быть лазер, папа заказал для меня профессиональную указку с зеленым лазером. С бытовыми лазерными указками я знаком давно, но большой дальностью действия они не отличались. (сл.4)

Основные понятия

Для понимания как работает лазер, нам нужно знать, что такое ФОТОН.

Фотон — безмассовая нейтральная частица, неделимая порция электромагнитного излучения, различаемая человеческим глазом как свет. Или по-другому: фотон – это элементарная частица, представляющая собой квант световой волны. Фотон может существовать в вакууме, двигаясь только со скоростью света.

Белый свет состоит из спектра световых волн, у каждого цвета радуги своя длина волны, измеряемая в миллионных долях метра (нанометрах).

Вынужденное излучение или усиление света изучается квантовой физикой и связано с генерацией новых фотонов в результате воздействия таких же фотонов на определенное вещество. Другими словами, один фотон попадая на вещество отрывает от него еще один фотон движущийся с той же скоростью и имеющий ту же длину волны.

Если отлетающие от вещества (тела) фотоны отражать зеркалом обратно на поверхность этого тела, фотонов становится с каждым разом вдвое больше. И нам остается собрать их в пучок чтобы придать им направление.

Источник фотонов называется – энергией накачки, чаще всего это инфракрасный излучатель (лампа). А устройство, преобразующее энергию накачки в поток излучения называется ЛАЗЕРОМ (сл.4). Все умные слова в определении на слайде в принципе означают одно – луч лазера имеет выделенный цвет спектра (радуги).

Устройство лазера. Лазерные указки.

Конструкция лазера обычно состоит из 3-х основных элементов:

- источника энергии;

- Рабочего тела, вещества из которого оделяются фотоны

- Системы зеркал.

Может так же использоваться система линз для формирования луча.

По типу активного вещества все лазеры делятся на:

- твердотельные;

- жидкостные;

- газовые;

- полупроводниковые;

- квантовые усилители.

На слайде 6 изображена схема обычной лазерной указки, в которой используется инфракрасный диод. Диод является полупроводником, который проводит эл.ток в одном направлении и выделяется световая энергия с длиной волны красного спектра. Для справки: в светодиодах, используемых в фонариках, спектр не разбирается на цвета, и они просто светят как белые лампочки. Бытовые красные указки – это аналог обычного фонарика, дальность луча которого определяется подбором оптических линз. Моя указка светила различимым пятном не более чем на 100м.

Теперь рассмотрим, как устроена «правильная» лазерная указка, то что она правильная указывает зеленый цвет луча, который получается за счет поляризации на определенном «рабочем теле» в виде кристалла титанита фосфата калия (сл.7).

В нашем случае стандартная конструкция лазера доработана системой линз, формирующих луч, двумя кристаллами, являющимися рабочим телом и выполняющих функцию поляризации и резонации. Для безопасности использования (чтобы лучом ничего нельзя было зажечь) используется ИК фильтр.

Исследование.

С зеленой лазерной указкой были проведены следующие опыты:

1. Попытка зажечь спичку на близком расстоянии. Не получилось, действует ИК-фильтр.
2. Дальность и четкость луча зависит от погоды и времени суток. Так 9-и этажный дом на школе садоводов (120/12) из моего окна виден в ясную погоду и любое время суток – указка оставляет на нем четкое пятно. 14-и этажный дом на Змеиногорском тракте (104м/4) виден только в ясную погоду днем, указка оставляет на нем отчетливое пятно и луч в вечернее время.
3. По информации из интернета:

- лучше всего виден именно зеленый лазер, т.к. его чётче воспринимает наше зрение;

- мощность лазера зависит от мощности батареи и первичного источника света;

- яркость и дальность луча зависит от чистоты воздуха, от мощности лазера и от расходимости луча;

4. Дальность луча, направленного мной в небо, практически не ограничена (зависит от чистоты и разрежённости воздуха). Обычно летом луч, направленный в небо, длиннее чем зимой.

ПРИМЕНЕНИЕ В КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ:

Лазер, направленный в небо, заставил меня задуматься: для чего его можно использовать ?

Первое что пришло в голову - это для поиска человека, потерявшегося в горах или в лесу.

Но больше всего из того что я прочитал в интернете мне понравилось то, что лазер можно использовать для передачи информации в космос. Для обмена данными между МКС и спутниками, для передачи данных на землю.

Передача данных при помощи лазера — более перспективная технология, чем передача данных посредством радиоволн. Такая, передача ведется направленно, что требует меньше энергии, и при помощи лазера можно передавать данные с очень большой скоростью.

2 октября 2012 года с Российского сегмента Международной космической станции впервые по лазерному каналу была передана широкополосная информация на наземный пункт.

Сеанс передачи информации осуществлялся с терминала связи, установленного на борту РС МКС, на лазерный терминал наземного пункта станции оптических наблюдений «Архыз» на Северном Кавказе).
Была передана информация общим объемом 2,8 Гигабайт со скоростью 125 Мбит/с.

Ранее передачу данных по лазерному каналу связи использовали для передачи данных между спутниками по схеме слайд 9.

17 октября 2013 года специалисты NASA установили рекорд при передаче данных с Земли на лунный зонд  и обратно.

Дальность передачи данных при этом составила 385 тысяч километров. Скорость передачи данных с лунного орбитального аппарата LADEE (сокр. от англ. Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer — «Исследователь лунной атмосферы и пылевого окружения») на Землю составила 622 мегабита в секунду. Также ученые продемонстрировали передачу пакета данных, без ошибок, на скорости 20 мегабит в секунду с наземной станции в Нью-Мехико к LADEE.

При помощи такой технологии планируется передавать и принимать огромные массивы данных, включая фотографии с высоким разрешением, видео в 3D и прочее. Уже в 2017 году ученые планировали провести испытания системы LCRD (Laser Communications Relay Demonstration). Но так-как проект долгосрочный, информации о его тестировании в интернете я еще не нашел.

Надеюсь, что это будет темой для моего следующего доклада. 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Первый Российский сайт о лазерах и лазерных указках.

http://lasers.org.ru/2008/06/17/типы-лазеров/

http://lasers.org.ru/2008/10/02/оптика

http://lasers.org.ru/2008/09/06/твой-первый-драйвер

http://lasers.org.ru/2008/06/29/особенности-зеленого-лазера-и-других

2. Википедия.

https://ru.wikipedia.org/wiki/лазер

https://ru.wikipedia.org/wiki/твердотельный_лазер_с_диодной_накачкой

https://ru.wikipedia.org/wiki/лазерный_диод

https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_Communications_Relay_Demonstration

3. ХабраХабр:

https://habrahabr.ru/post/198764/

https://habrahabr.ru/post/153555/

4. Новые технологии на проекте  DailyTechInfo

https://www.dailytechinfo.org/space/2776-lazernaya-kommunikacionnaya-sistema-pozvolit-uvelichit-na-poryadki-skorosti-obmena-informaciey-dalney-kosmicheskoy-svyazi.html

5. Научная Россия. Интернет портал.

https://scientificrussia.ru/news/nasa-sozdaet-pervyj-integrirovannyj-fotonnyj-modem

6. Новости информационных технологий.

http://www.pvsm.ru/gps/17621

7. Библиофонд. Электронная библиотека студента.

https://bibliofond.ru/view.aspx?id=720790 

8. НЛОМИР. Интернет-журнал

http://nlo-mir.ru/kosmoss/25196-v-sotnju-raz-bystree-radio.html

ПРИЛОЖЕНИЯ:

1. Презентация на 10 слайдов.