Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: I Liceum Ogólnokształcące im. Powstańców Wlkp. w Koźminie Wlkp. ID grupy: 97/32_G2 Opiekun: Jarosław Kucharski Kompetencja: Matematyczno - fizyczna Temat projektowy: Laser, atomowe światło. Pół wieku od odkrycia. Semestr/rok szkolny: V/2011/2012

„Laser, atomowe światło. Pół wieku od odkrycia”. Zakres i podział zadań Na początku pracy nad projektem każdemu uczestnikowi grupy przydzielono zagadnienia do opracowania w formie prezentacji, które następnie zostały zaprezentowane przed całą grupą. Podsumowaniem tych opracowań jest prezentacja końcowa. Grupa matematyczna zajęła się przygotowaniem zadań i problemów związanych z wykonaniem mniej lub bardziej skomplikowanych obliczeń matematycznych (wyznaczanie odległości między rowkami na płycie CD, zadania związane z fizyką kwantową). Grupa fizyczna opracowała wiadomości z zakresu kwantowej natury światła, budowy atomu wodoru, widm emisyjnych i absorpcyjnych promieniwania oraz zasady działania i budowy lasera, aby wyczerpująco omówić temat projektu: „Laser, atomowe światło. Pół wieku od odkrycia”. Przygotowała i przeprowadziła proste eksperymenty fizyczne. Głównymi odpowiedzialnymi za całokształt pracy byli Mateusz i Przemek.

Laser, atomowe światło. Pół wieku od odkrycia. Źródło: mag.media.pl

KWANTOWA NATURA ŚWIATŁA Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna. http://open.agh.edu.pl/mod/resource/view.php?id=495 http://pl.wikipedia.org/wiki/Mechanika_kwantowa

Wszystko co naprawdę wiemy o świecie, wiemy z doświadczenia Wszystko co naprawdę wiemy o świecie, wiemy z doświadczenia. Tymczasem jednak doświadczenia mówią nam coś dość niesamowitego. Z jednej strony światło ulega dyfrakcji i interferencji czyli jest falą (ma zatem naturę ciągłą). Z drugiej strony, aby wyjaśnić promieniowanie ciała doskonale czarnego i efekt fotoelektryczny trzeba przyjąć, że światło jest strumieniem cząstek (fotonów) czyli ma naturę nieciągłą. http://open.agh.edu.pl/mod/resource/view.php?id=495

KWANTOWA NATURA ŚWIATŁA http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

KWANTOWA NATURA ŚWIATŁA http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

KWANTOWA NATURA ŚWIATŁA http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

KWANTOWA NATURA ŚWIATŁA http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

KWANTOWA NATURA ŚWIATŁA http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

KWANTOWA NATURA ŚWIATŁA http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

KWANTOWA NATURA ŚWIATŁA http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

KWANTOWA NATURA ŚWIATŁA http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

KWANTOWA NATURA ŚWIATŁA http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

KWANTOWA NATURA ŚWIATŁA http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

KWANTOWA NATURA ŚWIATŁA http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

FALOWA NATURA CZĄSTEK http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

FALOWA NATURA CZĄSTEK http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

FALOWA NATURA CZĄSTEK http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

FALOWA NATURA CZĄSTEK http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

FALOWA NATURA CZĄSTEK http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

Budowa atomu Atomy składają się z jądra i otaczających to jądro elektronów. W jądrze znajdują się z kolei nukleony: protony i neutrony. Neutrony są cząsteczkami obojętnymi elektrycznie, protony noszą ładunek elektryczny dodatni, zaś elektrony – ujemny. http://www.ekoportal.gov.pl/opencms/opencms/ekoportal/prawo_dokumenty_strategiczne/ochrona_srodowiska_w_polsce_zagadnienia/Promieniowanie/PromieniowanieJonizujace/ http://zadane.pl/zadanie/922924

Analiza spektralna Analiza widmowa, inaczej analiza spektralna - rodzaj teleanalizy - metoda jakościowego i ilościowego określania substancji na podstawie widma, w tym także metody wytwarzania widm. Z pomiarów fal linii widmowych dla danej substancji można wyznaczyć jej skład identyfikując pierwiastki w niej zawarte, energie połączeń, a także układ cząsteczek i atomów w cząsteczkach. Do analizy widmowej wystarczą śladowe ilości substancji. http://pl.wikipedia.org/wiki/Analiza_widmowa http://astronomia.zagan.pl/news.php

Etapy analizy spektralnej Analizę spektralną wykorzystuje się w: poprzez porównanie widma substancji z widmami wzorcowymi określa się, jakie substancje (pierwiastki) wchodzą w jej skład, poprzez porównanie natężenia światła w uniach różnych pierwiastków wchodzących w skład substancji określa się jej skład procentowy, poprzez analizę poszerzenia określa się ciśnienie gazu i oddziaływania między cząsteczkami, rozszczepienie linii umożliwia badanie pola magnetycznego, a przesunięcie oddalania się lub energii grawitacyjnej. Astronomii - do kwalifikacji gwiazd, oraz badania ich składu chemicznego i warunków panujących w gwieździe Chemii - badania składu substancji chemicznych. http://pl.wikipedia.org/wiki/Analiza_widmowa

Analiza spektralna Zjawisko pochłaniania światła w ośrodku materialnym. W miarę rozchodzenia się fali świetlnej w ośrodku, jej natężenie stopniowo maleje. http://www.edupedia.pl/words/index/show/532462_slownik_fizyczny-absorpcja_wiata.html

Zjawisko absorpcji jest związane z przekształcaniem energii pola elektromagnetycznego fali świetlnej w inne formy energii. Zmiana natężenia światła dI po przejściu przez warstwę ośrodka o nieskończenie małej grubości dx wyraża się równaniem : dI = -αI0dx http://www.edupedia.pl/words/index/show/532462_slownik_fizyczny-absorpcja_wiata.html

Laser- Co to jest i jak działa? Źródło: technologie.gazeta.pl

Laser- Co to jest i jak działa? Bibliografia do tej części prezentacji. http://www.ctlasers.com/nightclub-laser-shows/ www.wikipedia.pl

Laser Laser to generator promieniowania, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest akronimem od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł promieniowania. Jest spójne w czasie i przestrzeni, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania impulsu (zob. laser femtosekundowy).

Laser- podstawowe informacje

ZASADA DZIAŁANIA LASERA Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów. Ośrodek czynny Układ pompujący Rezonator optyczny Warunek progowy akcji laserowej Właściwości światła laserowego

Ośrodek Czynny Oddziaływanie promieniowania z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłaniania fotonów (absorpcji), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. Foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej ma taką samą częstotliwość i polaryzację jak foton wywołujący emisję. Przykładowy foton wzbudzający musi mieć energię równą energii wzbudzenia atomu ośrodka. Atomy w stanie podstawowym pochłaniają takie fotony. Gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym zachodzi inwersja obsadzeń poziomów energetycznych. Stan wzbudzony jest stanem metastabilnym co zapewnia magazynowanie energii do czasu wyemitowania jako wiązki laserowej i jest warunkiem funkcjonowania urządzenia.

Układ Pompujący Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny by zapewnić inwersję obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flesza), błysk innego lasera, przepływ prądu (wyładowanie) w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji.

Rezonator Optyczny Wzbudzony ośrodek czynny stanowi wprawdzie potencjalne źródło światła laserowego, jednak do powstania uporządkowanej akcji laserowej potrzebny jest jeszcze odpowiedni układ optyczny, zwany rezonatorem. Układ ten pełni rolę dodatniego sprzężenia zwrotnego dla światła o wybranym kierunku i określonej długości fali. Spośród wszystkich możliwych kierunków świecenia i wszystkich dostępnych dla ośrodka długości fal, jedynie światło o parametrach ustalonych przez rezonator będzie wzmacniane na tyle mocno, by doprowadzić do akcji laserowej.

Warunek progowy akcji laserowej Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty promieniowania wewnątrz rezonatora (rozpraszanie, straty dyfrakcyjne) oraz emisję części promieniowania na zewnątrz rezonatora (np. przez częściowo przepuszczalne lustro wyjściowe).

Schemat budowy i działania lasera. Źródła: http://www.porownaj-laser.pl/laser.html oraz gim36.pl/prezentacje/jak_to_dziala/laser.pps

Zasada działania lasera. W dużym uproszczeniu, zobrazowanie budowy i działania lasera przedstawia rysunek przedstawiony na poprzednim slajdzie. Do ośrodka o właściwościach wzmacniających światło, dostarczana jest energia świetlna lub elektryczna ( proces ten nazywamy pompowaniem lasera ), co w efekcie powoduje emisję wymuszoną. Ośrodek wzmacniający umieszczony jest wewnątrz rezonatora składającego się z dwóch zwierciadeł, z których jedno jest całkowicie odbijające, drugie natomiast jest częściowo przepuszczalne. W wyniku emisji wymuszonej, wewnątrz rezonatora (zapewniającego sprzężenie zwrotne ), układ staje się generatorem światła. Poprzez zwierciadło półprzepuszczalne (emisyjne) , na zewnątrz układu wydostaje się część światła, stanowiąca użyteczną wiązkę laserową. Wiązka ta może zostać poddana dalszej obróbce na drodze optycznej, w celu przygotowania jej do określonych zadań. W opisany wyżej sposób działa większość laserów stosowanych w aplikacjach medycznych, należy jednak dodać, że istnieją też inne, bardziej skomplikowane rozwiązania. Źródła: http://www.porownaj-laser.pl/laser.html oraz gim36.pl/prezentacje/jak_to_dziala/laser.pps

Ogólna charakterystyka światła laserowego. Światło emitowane przez laser jest falą elektromagnetyczną o ściśle określonych właściwościach, które odróżniają je od naturalnych źródeł takich jak żarówka, płomień czy słońce. 1. Jest monochromatyczne, tzn. że posiada tylko jedną długość fali (kolor), naturalne źródła światła  promieniują w szerokim spektrum od podczerwieni do ultrafioletu. 2. Jest koherentne, tzn. że fale świetlne emitowane przez laser posiadają tą samą fazę, natomiast naturalne źródła światła emitują fale o różnych fazach. 3. Jest skolimowane, tzn. że wiązka światła laserowego ma niewielką rozbieżność i łatwo można utrzymać niewielką średnicę wiązki na dużych dystansach. W naturalnych źródłach światła nie jest możliwe osiągnięcie takiego stopnia kolimacji nawet przez zastosowanie skomplikowanych układów optycznych. Źródła: http://www.porownaj-laser.pl/laser.html oraz gim36.pl/prezentacje/jak_to_dziala/laser.pps

Naukowcy związani z Laserem Teoretyczne podstawy mechanizmów wzmocnienia światła dał w 1917 roku Albert Einstein. Urzeczywistnieniem teorii promieniowania laserowego stał się ponad 40 lat później pierwszy - zbudowany w 1960 roku przez Amerykanina Teodora Maimana - laser rubinowy. TEODOR MAIMAN ALBERT EINSTEIN Źródła: http://www.porownaj-laser.pl/laser.html oraz gim36.pl/prezentacje/jak_to_dziala/laser.pps

Wykorzystanie Laserów Źródło:3dcad.pl

Efekty wizualne Lasery są wykorzystywane do tworzenia efektów wizualnych np. w spektaklach teatralnych, reklamach, koncertach i dyskotekach. Tanie lasery diodowe są wykorzystywane jako wskaźniki podczas prezentacji dydaktycznych, konferencyjnych, reklamowych itp. Źródło: www.wikipedia.pl oraz www.x-beam.pl

Geodezja i budownictwo Prostoliniowy bieg wiązki lasera wykorzystywany jest w pomiarach geodezyjnych (dalmierze), a także w budownictwie (poziomnice laserowe, generatory linii). Poziomica Laserowa Źródło: www.wikipedia.pl

Poligrafia Lasery znalazły zastosowanie w nowoczesnej poligrafii: w naświetlarkach filmów poligraficznych, naświetlarkach offsetowych form drukowych, w naświetlarkach zintegrowanych z maszyną drukarską, w cyfrowych kserokopiarkach. Po prawej stronie schemat budowy drukarki laserowej.  Źródło: www.wikipedia.pl oraz www.republika.pl

Technologia Wojskowa Dalmierze laserowe, stosowane do oceny odległości od celu, wchodzą w skład systemów kierowania ogniem lub systemów rozpoznawczych czołgów i niektórych innych pojazdów bojowych, samolotów i śmigłowców, mogą być także przenośne. Na fotografiach wojskowy helikopter, który używa dalmierza laserowego oraz wiązka laseru używanego przez siły zbrojne USA. Źródło: www.wikipedia.pl

Technologia Wojskowa W systemach naprowadzających cel jest oświetlany wiązką laserową, promieniowanie odbite jest emitowane praktycznie we wszystkich kierunkach (z uwagi na rozpraszanie wiązki na powierzchni). Pocisk rakietowy, artyleryjski lub bomba kierowana, wyposażony w czujnik laserowy, określa źródło odbitej wiązki, i za pomocą układów elektronicznych naprowadza się na podświetlony cel. Podobne zastosowanie ma laserowy wskaźnik celu, lecz w tym przypadku laser wskazuje cel, a operator broni (strzelec) samodzielnie naprowadza promień lasera na cel. Źródło: www.wikipedia.pl

Technologia Wojskowa Systemy laserowe są zdolne do uwalniania skoncentrowanej energii w postaci wiązki świetlnej w bardzo krótkim przedziale czasu. Powoduje to, iż cała energia jest wyzwalana w bardzo krótkim czasie, co przy prędkości światła powoduje, iż praktycznie jest niemożliwe uniknięcie trafienia z takiej broni. Laser jako broń energetyczna jest najmniej rozpowszechniony - dopiero wprowadzany jedynie w USA na platformach powietrznych (Airborne Laser), aczkolwiek jest jednym z ulubionych tematów twórczości science- fiction. Lasery mniejszej mocy stosowane są też do niszczenia układów optycznych pojazdów. Na fotografii Airborne Laser Źródło: www.wikipedia.pl

Technologia Wojskowa Mierniki głównie w lotnictwie wojskowym takie jak: wysokości (altimetry); -składowych szybkości gazu (aneometry), -przyspieszenia, -szybkości lotu. Na fotografii radar US. Army wykorzystujący Technologię laserową  Źródło: www.wikipedia.pl oraz www.dws.org.pl

Medycyna Lasery są wykorzystywane w medycynie do takich celów jak: -diagnostyka (lasery diagnostyczne), -terapia schorzeń (lasery stymulacyjne i chirurgiczne), -oświetlanie pola operacji. Na fotografii laser diagnostyczny w stomatologii  Źródło: www.steczko-dentysta.pl oraz www.wikipedia.pl

Medycyna Lasera używa się w medycynie przede wszystkim dla "twardej" obróbki tkanek: -cięcia, -koagulacji, -odparowania (fotoablacji oraz ablacji stymulowanej plazmą), -obróbki mechanicznej (rozrywania, fragmentacji czy kawitacji). Źródło: www.wikipedia.pl oraz www.dws.org.pl

Medycyna W dermatologii laserów używa się do usuwania niektórych nowotworów i naczyniaków powstałych np. po odmrożeniach. W leczeniu nowotworów wykorzystuje się lasery o dużej gęstości mocy i małych rozmiarach wiązki laserowej. Wiązką można zniszczyć chore komórki nie naruszając zdrowych. Skalpel laserowy pomocny jest przy leczeniu oparzeń. Przy jego pomocy można zdejmować naskórek lub warstwę spalonej skóry i odsłonić zdrową aby mogła się zagoić. Laser pomocny jest też przy usuwaniu tatuaży i włosów, rozjaśnianiu skóry, przywracaniu jej gładkości i sprężystości. Lasery stosowane w medycynie estetycznej Źródło: www.wikipedia.pl

Na fotografii holograf laserowy we współczesnym wyobrażeniu. Holografia Światło laserowe pozwala zapisać, a następnie odtworzyć trójwymiarowy obraz; w pierwszym procesie wykorzystuje się zjawisko interferencji światła laserowego; w drugim — dyfrakcji. Hologram jest rodzajem siatki dyfrakcyjnej; oprócz holografii optycznej istnieje także holografia akustyczna Na fotografii holograf laserowy we współczesnym wyobrażeniu. Źródło: www.portalwiedzy.onet.pl oraz www.destructoid.com

Na fotografii satelita wykorzystujący nowoczesną łączność laserową. Odpowiednio modulowane światło laserowe może przenosić informacje (na analogicznej zasadzie jak fale radiowe), ale większa częstotliwość fal świetlnych pozwala znacznie zwiększyć szybkość jej przekazywania. Ze względu na prostoliniowy bieg fal świetlnych i znaczną nieprzezroczystość atmosfery do przesyłania impulsów stosuje się różnego rodzaju światłowody Na fotografii satelita wykorzystujący nowoczesną łączność laserową. Źródło: www.portalwiedzy.onet.pl oraz www.astronomia2008.w8w.pl

Kosmetologia i Dermatologia Kosmetologia: Wyróżniamy pełną gamę zabiegów kosmetycznych. Należą do nich również laserowe zabiegi „chirurgiczne” tj. z zakresu dermatochirurgii. Do zabiegów dermatochirurgicznych zaliczamy zabiegi punktowe (na małym obszarze) oraz zabiegi na dużych powierzchniach ciała. Zabiegi punktowe to usuwanie pojedynczych zmian skórnych, włókniaków, brodawek. Dermatologia: Dermatologia jest dziedziną medycyny, gdzie najprościej jest stosowane promieniowanie laserowe i stosunkowo łatwo można ocenić wyniki terapii. Najczęściej leczonymi tutaj schorzeniami są: trądzik, opryszczka, egzemy, liszaj czerwony, bliznowce, świąd skóry, półpasiec, owrzodzenia troficzne podudzi, świerzbiączka, łysienie plackowate, brodawki i łuszczyca. Źródło: www.estheticon.pl

Znakowanie Produktów Lasery znalazły również zastosowanie przy znakowaniu produktów. Używa się ich przy liniach produkcyjnych posiadających bardzo wysokiej wydajności (np. 70 000 prod./h) oraz gdy chcemy uzyskać trwały i estetyczny nadruk. Podstawowym założeniem stosowania lasera do znakowania jest jego trwałość oraz nieusuwalność znaku. Aby 'zniszczyć' np. datę przydatności do produkcji na towarze spożywczym wykonaną laserem , należałoby zniszczyć także opakowanie lub usunąć etykietę. Wyróżnia się dwa sposoby znakowania materiałów: -usuwanie cienkiej warstwy farby z powierzchni przedmiotu; -zmiana barwy - zachodzi ona dzięki stosowaniu różnych domieszek lub poprzez pokrywanie powierzchni przedmiotu specjalnymi rodzajami farb lub tlenków. Na fotografii przykład napisu wygrawerowanego na śrubce, za pomocą lasera Źródło: www.wikipedia.pl

Laserowe cięcie metali Cięcie laserowe stanowi nowoczesną metodę obróbki o podobnych parametrach wymiarowych jak klasyczna obróbka mechaniczna. Podstawowa różnica tkwi w stosowanym czynniku tnącym, który w przypadku cięcia laserowego stanowi promień lasera oraz gaz techniczny o dużej czystości. W zależności od stosowanego urządzenia (przede wszystkim jego mocy) cięcie przeprowadza się na następujące sposoby: -przez odparowanie; -przez topnienie i wydmuchiwanie; -przez wypalenie; -poprzez generowanie pęknięć termicznych; -poprzez zarysowanie; -przez tzw. zimne cięcie. Na fotografii przykład wycinarki laserowej, tnącej metal. Źródło: www.wikipedia.pl

Laserowe spawanie metali Spawanie laserowe polega na łączeniu detali przez stopienie obszarów ich styku przy pomocy skoncentrowanej wiązki lasera. Duża gęstość mocy wiązki laserowej gwarantuje, że energia spawania jest na poziomie minimalnym potrzebnym do stopienia złącza. Strefy wpływu ciepła i stopienia są bardzo wąskie. Odkształcenie materiału jest bardzo małe, a po procesie spawania nie trzeba wykonywać dodatkowej obróbki mechanicznej. Podczas spawania spoina musi być zabezpieczona przed utlenianiem i zanieczyszczeniami przy pomocy gazów ochronnych takich jak np.: Ar, N2, CO2, He. Efektywność spawania zależy od absorpcji energii wiązki przez powierzchnię metali, która wynosi: 1 ÷ 5% dla laserów CO2 i 2 ÷ 30% dla laserów stałych. Z tego powodu powierzchnie niektórych metali powinny być poczernione lub zmatowione. Na fotografii przykład spawarki laserowej, spawającej metale. Źródło: www.wikipedia.pl

Na fotografii przykład drążarki laserowej. Laserowe drążenie Za pomocą lasera można drążyć bardzo małe otwory w bardzo twardych materiałach np. w diamencie, a także w bardzo kruchych np. w ceramice. Otwory są wykonywane z dużą prędkością i mają powtarzalny kształt. Wiązka laserowa topi metal, tworzy się jeziorko płynnego metalu, a strumień gazu częściowo spala i usuwa stopiony metal z obszaru oddziaływania wiązki laserowej. Materiał musi być usuwany na tę samą stronę, z której działa gaz. Na fotografii przykład drążarki laserowej. Źródło: www.wikipedia.pl oraz www.marketeo.pl

Laser Rubinowy Źródło:3dcad.pl

Bibliografia do tej części prezentacji. Laser Rubinowy Bibliografia do tej części prezentacji. http://www.porownaj-laser.pl/laser.htm http://www.woodlaserengraver.com/category/laser/ http://pl.wikipedia.org/wiki/Laser_rubinowyhttp://pl.wiki pedia.org/wiki/Laser_rubinowy

Laser Rubinowy Laser rubinowy - laser na ciele stałym, którego obszarem czynnym jest rubin (Al2O3:Cr+3). Ten skład chemiczny zapewnia występowanie trójpoziomowego układu stanów energetycznych w rubinie. Emitowana długość fali jest równa 694,3 nm. Laser ten pracuje w trybie impulsowym.

Początki Teoretyczne podstawy mechanizmów wzmocnienia światła dał w 1917 roku Albert Einstein. Urzeczywistnieniem teorii promieniowania laserowego stał się ponad 40 lat później pierwszy - zbudowany w 1960 roku przez Amerykanina Teodora Maimana - laser rubinowy.

Rozwój lasera rubinowego. Ze względu na gwałtownie rosnący krąg zastosowań laserów, nastąpił bardzo szybki rozwój techniki laserowej na świecie. Jeszcze do niedawna dla większości ludzi, laser kojarzył się z techniką militarną i filmami science- fiction. Obecnie lasery wdarły się prawie we wszystkie dziedziny naszego życia. Lasery cieszą się dużym powodzeniem począwszy od zastosowań wojskowych, poprzez przemysł, górnictwo, telekomunikację, medycynę, po tak rozpowszechnione urządzenia jak odtwarzacze CD, DVD, czytniki kodów paskowych czy wskaźniki laserowe.

Budowa lasera rubinowego. Laser rubinowy ma prostą konstrukcję, typową dla laserów w których ośrodkiem czynnym jest ciało stałe. Substancją czynną jest kryształ rubinu ukształtowany w walec. Powierzchnie czołowe walca są dokładnie oszlifowane i przepuszczają światło do luster lub też są pokryte warstwą odbijającą i same stanowią lustra. Laser ten jest pompowany optycznie lampą ksenonową przez boczne powierzchnie.

Schemat budowy lasera rubinowego. (1)Promień światła (2) Flesz (3) Pręt rubinowy (4) Zwierciadło (5) Rezonator optyczny (6) Zwierciadło półprzepuszczalne

Zasada Działania Fotony emitowane w wyniku emisji spontanicznej, które nie poruszają się wzdłuż osi, uciekają przez ścianki boczne zanim są w stanie wywołać emisję wymuszoną. Ale te fotony, które poruszają się dokładnie w kierunku osi, mogą być parokrotnie odbijane od krańcowych zwierciadeł i są w stanie wielokrotnie wywołać emisję wymuszoną. W ten sposób liczba fotonów gwałtownie rośnie, a te które uciekają przez częściowo odbijającą powierzchnie czołową tworzą jednokierunkową wiązkę o dużym natężeniu i ściśle określonej długości fali.

Wpływ Laserów na organizm ludzki Źródło:3dcad.pl

LASERY- WPŁYW PROMIENIOWANIA NA ORGANIZM CZŁOWIEKA Promieniowanie laserowe jest specyficznym rodzajem promieniowania optycznego o takich właściwościach jak: monochromatyczność, kierunkowość rozchodzenia się wiązki, duże gęstości mocy promieniowania, spójność czasowa i przestrzenna promieniowania. http://iks.blogerki.pl/2009/08/11/promieniowanie-x_hgj.html Źródło: http://www.eng.pl

Promieniowanie laserowe jest szkodliwe dla człowieka z powodu wchłaniania tego promieniowania przez tkankę ludzką. Oddziaływania termiczne, termoakustyczne, fotochemiczne mogą wywoływać zmiany patologiczne. Przekazywana energia może być bardzo duża, gdyż promieniowanie laserowe charakteryzuje się wysoką zbieżnością wiązki i energią początkową tzw. kolimacja. http://imagenes-dibujos-animados.blogspot.com/2011/07/hulk.html Źródło: http://www.eng.pl

LASERY- WPŁYW PROMIENIOWANIA NA ORGANIZM CZŁOWIEKA Najbardziej narażone na uszkodzenia są oczy i skóra człowieka, które zależy od długości fali promieniowania. Może tu wystąpić: zapalne uszkodzenie rogówki, katarakta fotochemiczna, fotochemiczne i termiczne uszkodzenie siatkówki, przymglenie i oparzenie rogówki, rumień skóry (oparzenie słoneczne), przyśpieszone starzenie się skóry, zwiększona pigmentacja skóry. Źródło: http://www.eng.pl

LASERY- WPŁYW PROMIENIOWANIA NA ORGANIZM CZŁOWIEKA Maksymalny poziom promieniowania laserowego określany jest jako maksymalna dopuszczalna ekspozycja (MDE) i zależy ona od: długości fali promieniowania, czasu trwania impulsu lub ekspozycji, rodzaju tkanki narażonej na ekspozycję. Źródło: http://www.eng.pl

LASERY- WPŁYW PROMIENIOWANIA NA ORGANIZM CZŁOWIEKA Jak łatwo zauważyć przy pracy z laserem najbardziej zagrożone są oczy. Występuje tutaj bardzo wiele zagrożeń dla narządu wzroku. Dlatego też podstawowe działania profilaktyczne powinny dotyczyć wyboru odpowiednich środków ochrony osobistej dla ochrony oczu przed promieniowaniem laserowym. Źródło: http://www.eng.pl

Prace doświadczalne

Wyznaczanie odległości między rowkami na płycie CD Spis przyrządów i materiałów: Nagrana płyta CD w oryginalnym pudełku, które posłuży jako „statyw”; tekturowe, sztywne pudełko o wymiarach około 25x35 cm, na które naklejamy arkusz białego papieru, stanowiący ekran; wskaźnik laserowy (+ spinacz do bielizny do blokowania wyłącznika lasera); uchwyt na laser, pozwalający na umieszczenie go poziomo na wysokość środka płyty CD (np. odpowiednio pudełeczko tekturowe z dwoma otworami); kawałek plasteliny; przymiar metrowy; szpilka; ołówek Źródło: podręcznik „Fizyka dla szkół ponadgimnazjalnych”, M. Fiałkowska, K. Fiałkowski, B. Sagnowska, wyd. Zamkor, Kraków 2002

Wyznaczanie odległości między rowkami na płycie CD 2.Kolejne fazy doświadczenia W połowie długości pudełka robimy szpilką otworek dokładnie na wysokości środka poziomej średnicy płyty CD umieszczonej w „statywie” ; średnicę otworu powiększamy zaostrzonym ołówkiem do ok.2 min, dbający, by jego brzegi nie były postrzępione Zestawiamy na jednej linii układ optyczny złożony z lasera, otworu i płyty CD (ekran ustawiony w stronę płyty) tak, aby promień lasera padał prostopadle do powierzchni płyty, na jej poziomą średnicę w miejscu, gdzie znajdują się rowki. Odległość płyta-ekran należy dobrać tak, aby na ekranie pojawiło się pięć plamek świetlnych. Prawidłowy obraz poznajemy po tym, że zerowy prążek interferencyjny (środkowa plamka) pokrywa się z otworem, a prążki boczne tworzą poziomą linię na ekranie. Aby uzyskać prawidłowe ustawienie, korygujemy ustawienie płyty CD i lasera za pomocą odpowiednich podkładek z plasteliny. Zaznaczamy ołówkiem położenie środków obrazów dyfrakcyjnych pierwszego i drugiego rzędu; mierzymy odległość l płyty CD od ekranu i określamy niepewność pomiaru Δl=… .

Wyznaczanie odległości między rowkami na płycie CD 2.Kolejne fazy doświadczenia c.d. Mierzymy odległość d1, d2 obrazów dyfrakcyjnych pierwszego i drugiego rzędu od prążka zerowego (po obu stronach), określamy niepewność tych pomiarów Δd=… . Zapisujemy wyniki w tabeli: Nr pomiaru d1 (m) d2 (m) l(m) 1 2 3 Wart.średnia d1,śr= d2,śr= lśr=

Wyznaczanie odległości między rowkami na płycie CD Na wskaźniku laserowym odczytujemy długość fali λ=… (zwykle podany jest przedział długości fali- wtedy należy przyjąć jako λ wartość średnią, zaś jako niepewność Δλ połowę przedziału długości fali λ). Korzystając ze wzoru na kąt ugięcia Ѳk obrazu k- tego rzędu dawanego przez siatkę dyfrakcyjną: kλ = a sin Ѳk (gdzie a to odległość między rowkami płyty CD ) oraz związków trygonometrycznych pomiędzy zmierzonymi wielkościami, obliczamy odległość a pomiędzy rowkami płyty CD, np. dla k=1; Obliczamy niepewność wyniku metodą NKP :

WYNIKI Ryc. Zrzut ekranu z wynikami

ANALIZA WYNIKÓW Wyznaczona przez nas odległość między rowkami wyniosła 1582 nm, a błąd pomiarowy wyniósł 102 nm. Możemy przyjąć zatem, że wynik wynosi około 1,6 μm. Wyniki są zgodne z danymi podawanymi przez producentów płyt CD – 1,6 μm podaje encyklopedia Wikipedia (http://pl.wikipedia.org/wiki/P%C5%82yta_kompaktowa).

DYFRAKCJA ŚWIATŁA LASEROWEGO Materiały: 2 białe kartki papieru, żyletka, laser Czynności: • W jednej z kartek papieru za pomocą nożyka robimy cienką szczelinę. Zaginamy jeden z boków kartki tak aby utrzymywała się w pozycji pionowej. • Druga kartka będzie służyła nam za ekran. Również zaginamy ją tak, aby była w pozycji pionowej. • Ustawiamy najpierw kartkę ze szczeliną a następnie w odległości ok. 30cm nasz ekran. • Za pomocą lasera świecimy na szczelinę i obserwujemy obraz na ekranie. Wynik: Na kartce obserwujemy prążki interferencyjne. Źródło: http://www.fizyka.slomniki.pl

DYFRAKCJA ŚWIATŁA LASEROWEGO Wynik: Na kartce obserwujemy prążki interferencyjne.

DYFRAKCJA ŚWIATŁA LASEROWEGO na pojedynczej szczelinie  Na drodze monochromatycznej wiązki światła spójnego (np. z lasera) ustawiona jest przesłona z wąską szczeliną. Zgodnie z zasadą Huygensa, każdy punkt szczeliny staje się źródłem fal kulistych. Za szczeliną rozchodzą się więc fale, których nakładanie się – interferencja - powoduje, że na ekranie pojawiają się jasne i ciemne prążki, a nie jeden jasny prążek - geometryczny obraz szczeliny. Światło uległo ugięciu - dyfrakcji. Ryc. Zrzut ekranu prezentujący symulację komputerową doświadczenia Żródło: http://fizyka.zamkor.pl/aplety/programy_fizyka_liceum/ph14pl/singleslit_pl.htm

Symulacja komputerowa lasera Ryc. Zrzuty ekranu prezentujące symulację komputerową doświadczenia  Program ilustruje zasadę działania lasera impulsowego. Fotony promieniowania pompującego (przedstawione jako żółte wężyki - paczki falowe) przechodzą przez ośrodek, w którym zachodzi akcja laserowa. Żródło: http://fizyka.zamkor.pl/aplety/programy_fizyka_liceum/laser/index.html

Przykłady zadań Oblicz minimalną częstotliwość promieniowania, które spowoduje emisję elektronów z powierzchni niklu, jeśli praca wyjścia z tego metalu W = 5 eV. Jaką energię trzeba dostarczyć atomowi wodoru w stanie podstawowym, aby go zjonizować? Oblicz, ile wynosi stosunek częstotliwości kwantów wysyłanych przez atom wodoru przy przejściu elektronu z orbity czwartej na drugą i z trzeciej na drugą. Oblicz energię kwantu pochłanianego przez elektron przeskakujący w atomie wodoru z orbity pierwszej na trzecią. Energia elektronu na pierwszej orbicie wynosi E1=-13,6 eV. Źródło: podręcznik „Fizyka dla szkół ponadgimnazjalnych”, M. Fiałkowska, K. Fiałkowski, B. Sagnowska, wyd. Zamkor, Kraków 2002, str. 175, 182.

Podsumowanie projektu Temat wybranego przez nas projektu okazał się bardzo ciekawy. Zakres wiedzy jaką obejmował był bardzo szeroki. Zdajemy sobie sprawę, że można by informacje ujęte w naszej prezentacji jeszcze rozszerzyć. Nie wszystkie zaplanowane doświadczenia udało nam się zrealizować, ale z efektu końcowego możemy być zadowoleni. Biorąc pod uwagę, że prace odbywały się równolegle do zajęć szkolnych (pierwszy semestr w klasie maturalnej – gorąca atmosfera przed egzaminem maturalnym, więcej nauki itp.) nie jeden raz trudno nam było skupić się na pracy nad projektem Pracując na projektem mieliśmy okazję powtórzyć wiadomości z klasy drugiej liceum, przy okazji je znacznie poszerzając. Projekt okazał się dla nas ponownie ciekawą przygodą i doświadczeniem naukowym.

DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ KONIEC