Конспект урока: "Лазеры"
план-конспект урока по физике (11 класс)

Урок по теме «Лазеры».

Цель урока: ознакомить учащихся с принципом действия квантовых источников света.

План урока:

1. Проверка домашнего задания.
2. Изложение нового материала.
3. Закрепление.
4. Домашнее задание.

1. Проверка домашнего задания – было задано составить и решить задачи на следующие элементы знаний: а) энергия и импульс фотона; б) работа выхода; в) радиусы орбит, скорости и энергии электрона в атоме водорода; г) длина волны де Бройля; д) уравнение Эйнштейна для фотоэффекта; е) закон сохранения энергии в электрическом поле. Форма проверки может быть любой, в зависимости от уровня подготовленности класса.
2. План изложения нового материала:

а) Спонтанное и вынужденное излучение;

б) Квантовые генераторы;

в) Трехуровневый лазер;

г) Применение лазеров.

Спонтанное и вынужденное излучение.

Вопросы к учащимся для актуализации прежних знаний (слайд 5):

• В чем суть I постулата Бора? (атом может находиться только в особых стационарных стояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия; из этих состояний одно – основное с наименьшей энергией, остальные состояния - возбужденные).
• Какое состояние называется основным, а какое – возбужденным? (основное стационарное состояние – это состояние с наименьшей энергией, все остальные стационарные состояния с энергией больше, чем в основном состоянии - возбужденные).
• В каком состоянии атом будет существовать дольше – в основном или в возбужденном? (в основном, т.к. это наиболее устойчивое состояние).
• При каких условиях атом излучает энергию? (согласно II постулату Бора излучение света атомом происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией).
• Как перевести атом из основного в возбужденное состояние? (сообщить атому квант энергии).

Таким образом, при взаимодействии атома с фотоном может происходить: 1) поглощение света атомом; 2) спонтанное (самопроизвольное) излучение; 3) индуцированное (вынужденное) излучение.

Рассмотрим механизм спонтанного излучения (слайд 6): В возбуждённом состоянии атом находится около 10-8 с, после чего самопроизвольно (спонтанно) переходит в основное состояние, излучая при этом квант света.

Определение спонтанного излучения (слайд 7): Спонтанное излучение происходит при отсутствии внешнего воздействия на атом и объясняется неустойчивостью его возбуждённого состояния.

Понятие о вынужденном излучении (слайд 8): Если же атом подвергается внешнему воздействию, то время его жизни в возбуждённом состоянии сокращается, а излучение уже будет вынужденным или индуцированным. Понятие о вынужденном излучении было введено в 1916 г      А. Эйнштейном.

Рассмотрим механизм вынужденного излучения (слайд 9). Вынужденное излучение происходит в результате воздействия на возбуждённый атом кванта света, частота которого совпадает с частотой его спонтанного излучения. Атом при этом переходит на более низкий энергетический уровень, и к первичному фотону добавляется ещё один фотон, ничем не отличающийся от первого. Падающее на атом излучение удваивается, затем может образоваться «лавина» фотонов.

Особенность индуцированного (вынужденного) излучения состоит в том, что возникающая световая волна не отличается от падающей ни частотой, ни фазой, ни  поляризацией (резонансный эффект).

Квантовые генераторы (слайд 10)

Оптические квантовые генераторы, излучение которых лежит в видимой и инфракрасной области спектра, называются лазерами.

Название «лазер» - это аббревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света посредством вынужденного излучения).

Трехуровневый лазер (слайд 11).

При работе лазера часто используется система трёх энергетических уровней атома, второе из которых – метастабильное со временем жизни атома в нём до 10-3 с. При этом атом при облучении переходит с первого сразу на третий энергетический уровень, затем путем спонтанного излучения – на второй, соответствующий метастабильному состоянию, где атомы «живут» долго. Таких атомов набирается всё больше и создается инверсная населенность энергетического уровня 2. Инверсная населенность энергетического уровня атома - состояние атома, при котором более высокие уровни энергии больше "населены" электронами, чем нижние.

В качестве примера работы трёхуровневого лазера рассмотрим работу рубинового лазера (слайд 12). Основная деталь рубинового лазера – рубиновый стержень. Рубин состоит из атомов Al и O с примесью атомов Cr. Именно атомы хрома придают рубину цвет и имеют метастабильное состояние.

На стержень навита трубка газоразрядной лампы, называемой лампой накачки. Служит для передачи атомам хрома квантов энергии для перехода из основного состояния в метастабильное. Очень быстро образуется «перенаселённость» метастабильного уровня (слайд 13).

Один из торцов стержня зеркальный (для как можно большей задержки фотонов внутри стержня и вызывания как можно большего числа актов вынужденного излучения), другой – полупрозрачный (через него выходит лазерное излучение). Боковая поверхность стержня непрозрачная (слайд 14).

Свойства лазерного излучения (слайд 15):

1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения.
2. Все фотоны лазерного излучения имеют одинаковую частоту (монохроматичность) и одно и то же направление (согласованность).
3. Лазеры являются мощными источниками света (до 109 Вт, т.е. больше мощности крупной электростанции).

Применение лазеров (слайд 16, 17).

Благодаря свойствам лазерное излучение имеет следующее применение:

• Обработка материалов (резание, сварка, сверление);
• В хирургии вместо скальпеля;
• В офтальмологии;
• Голография;
• Связь с помощью волоконной оптики;
• Лазерная локация;
• Использование лазерного луча в качестве носителя информации.

3. Закрепление (слайд 18) - вопросы 1 - 8 на стр. 206 учебника.
4. Домашнее задание (слайд 19) - § 28, задачник Степановой № 1697, 1703, 1723.

По желанию – презентации на темы: «Применение лазеров», «Лазеры, их виды, принцип действия», «История создания лазера».