22.Понятие о спонтанном и вынужденном излучении. Лазеры. Основные понятия и законы геометрической оптики. Зеркала, линзы, призмы, оптические приборы (лупа, микроскоп, телескоп).Понятие о спонтанном и вынужденном излучении. Лазеры.

Рассмотрем основы

Предположим что через активную среду проходит пучок света, кванты которые имеют энергию особенную, например, переходу с первого на второй уровень

Возможны два эффекта :

1. нормальное поглощение (положительное поглощение) исчезает квант, но возникает возбужденный атом он перескачет на нижнии уровень, испускается квант. Нормальному поглощению соответствует ослобление светового потока.

В первые Эйнштейн предположил что кроме спонтанного излучения должен иметь место вынужденное излучение. Состоит в том что имея энергию hν и пролетая мимо возбужденного атома квант света вынуждает возбужденный атом досрочно излучать квант частоты ν. В этом случае в место одного кванта света появляется два и схему можно изобразить следуючем оброзом

Это индуцированное излучение лежит в основе всех квантовых генераторов.Расмотрем о возможности усиления света активной средой

Т.к в активной среде при комнатной температуре число возбужденных атомов очень мало по сравнению с числом первичных атомов то при прохождении первичного пучка с энергией квантов hν ч/з такую среду будет преоблодать процесс положительного поглощения связонной с ослоблением первичного пучка, интенсивность будет уменьшаться.

Что же надо сделать чтобы преоблодал процесс вынужденных переходов и происходило в место поглощения усиление на выходе из активной среды?

Необходимо перевести активную среду в состояние в котором число возбужденных атомов окажется больше числа не возбужденных атомов. Такое состояние носит название состояние с инверсной заселенность энерг уровня.

Основным условием для достижения усиления света при прохождение активной среды в состояние инверсной заселенности энер уровней

Во втором случае добиться инверсной заселенности каких высоких уровней легче. Поэтому квантовые генераторы работающие по много уровневой схеме могут излучать в непрерывном режиме, т.к проще сделать инверсную заселенность и можно ее поддерживать его в непрерывном режиме.

Мы расмотрем проблему квантовых усилителей света. Для того чтобы активная среда являлось генератором света необходимо осуществить обратную связь м/у активной средой и излучением выходящей из нее. Обычно это достигается за счет того, что часть излучения при помощи, например зеркала, возвращается в активную среду и поддерживает в ней процесс в течении длительного времени.

Процесс создания и поддерживания активной среды, состояния инверсной заселенности носит называние оптической накачки энергии.

Процесс накачки осуществляется за счет интенсивного освещения активной среды , либо за счет химических процессов и др.

Итак для превращения активной среды в генератор света необходимо соблюдать 3 условия:

1. Создание инверсной заселенности

2. наличие обратной связи

3. Интенсивная накачка, покрывающая все потери излучения

Одним из первых опт. Генераторов был газовый генератор работавши на смеси гелия и неона

Расмотрем энергетику гелия

Невозбужденное состояние

Первое возбужденное состояние

второе возбужденное состояние

Такие возбужденное уровни на которых атом может находится длительное время без излучения носит название нестабильных

He=1 ммHg

Ne=0.1 ммHg

Смеси гелия и неона за счет электронных ударов появляется возбуждение атома гелия и ноена. Но заселенность 4 и 6 уровня неона при этом оказывается не достаточной. Инверсное заселенность на этих уровнях по отношению к 5 и 3 уровня еще не достаточно. Увеличение заселенности 4 и 6 уровня происходит при столкновении с атомами гелия, находящихся в метостабильных состояниях. При сталкновении возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходит передача энергии от атомов гелия к атомам неона. В результате этого заселенность 4 и 6 уровня существенно возрастает и оказывается возможным добиться инверсной заселенности 6 и 4 уровней неона по отношению к 3и 5 уровню.

Из рассмотренных следует , что инверсная заселенность необходимо м/у 6 и 5 уровнями неона, м/у 6 и 3, м/у 5 и 3. это необходимо чтобы было возможно генерация трех линии

Для создания инверсной заселенноти надо либо существенно увеличить заселенность верхнех уровней либо уменьшить заселенность нижнего уровня. Поскольку 2 уровень становиться метостабильной, то засленность оказывается большей , а 3 уровень находиться в близи и поэтому легко заселяется от 2уровня. Это не соответствует инверсной заселенности значит необходимо разгрузить 2 уровень. Разгрузка 2 уровня возможно за счет столкновения атомов 2 уровня со стенками сосуда. При этом энергия возбуждения безизлучательно передаются стенкам сосуда, стенки нагреваются, а атом со 2 уровня переходит на 1. происходит разгрузка не только 2, но и 3 уровня.

Поэтому необходимо придать сосуду вид трубки. Оказалось что оптимальный диаметр трубки равен 7 мм.

Рассмотрим принципиальную схему гелии-неонового лазера.

Окошки трубки с активной средой распологается под углом Брюстера, с тем чтобы полностью устранить потери для стрелочных колебании.

Был создан твердотелый лазер на рубине (Мейман)

Описать систему знании о световых явлениях и геометрической оптики.

Светом называется то, что действует на измерительный прибор.

[Ф]-Люмен-световой поток.

dФсв=dФэV

Сила света (I)

I=dФ/dΩ

[I]=кандела (кд)

Освещеность (Е)

Е=dФ/dS

[E]-Люкс (Лк)

Светимость (М)

М=∆Фисп/∆S

[M]-Люмен/м*2

Яркость-(L)

L=dФисп/∆ScosθdΩ

Интенсивность светового потока (Iинт)

Iинт=dФпроход/∆ScosθdΩ

Основные понятия и законы геометрической оптики. Зеркала, линзы, призмы, оптические приборы (лупа, микроскоп, телескоп).

Известен закон преломления:

Принцип Ферма

Ферма высказал что при переходе из одной среды в другую луч света распространяется по такому пути, которому соответствует минимальное время

Из этого следует что

Полное внутреннее отражения

если луч падает на границу раздела двух прозрачных сред под углом больше предельного угла то этот луч отражается от границы раздела как от идиальной зеркалы

Условие полного внутреннего отражения:

1. Вторая среда должна быть менее плотной чем первая

2. Угол падения на границу раздела двух сред должен быть большим

Призмы

Характеристики спектр.призмы

- угловая дисперсия

Разрешающая способность

Тонкие линзы

тонкая симмитричная двоякореломляющая

линза

Формула линнз

- ф-ла линз

R2<0 R1>0

Зеркала

Оптические приборы

Лупа

Микроскоп

Телскоп (рефоактор)

Методика изучения темы «Световые явления» в 8 классе.

Изучение данной темы имеет большое познавательное политехническое и

воспитательное значение. Мы познаем мир, благодаря свету и нашим зрительным

ощущениям.

На законах оптики основана оптическая и осветительная техника. Данная тема

имеет огромное значение для понимания природы света.

При рассмотрении данной темы решается две проблемы: 1. Как распространяется

свет от источника в однородной среде? 2. Как ведет себя свет на границе

раздела двух сред?

Поэтому и данный материал состоит из трех частей: прямолинейность

распределения света; законы отражения; явления преломления света.

Остальной материла является следствием этих положений. При рассмотрении

данного раздела не изучаются такие вопросы как понятие о скорости и

свойствах, явление разложения белого света в спектр, объяснение цвета тел,

явлений интерференции и дифракции.

При изучении данной темы все время приходится оперировать понятиями световой

луч или луч света. Известно, что световой луч – это линия, вдоль

которой распространяется световой поток. (Это определение в 8 классе не

дается) Но в то же время, необходимо разъяснить школьникам, что световой

луч это идеализация, в действительности имеем дело со световыми пучками.

Необходимо отметить, что в геометрической оптике имеются и другие идеализации:

линия изображения, точечный источник света.

Изучение темы световые явления начинают с напоминания фактов прямолинейного

распространения света. Конечно школьникам это известно из повседневной жизни,

но на уроке необходимо обязательно использовать эксперимент. Напоминает

учащимся о том, что о прямолинейности распространения света. Писал еще

основатель геометрии Евклид за 300 лет до нашей эры и вероятно понятие о

прямой линии возникло из представления прямолинейности распространения света

в однородной среде. Здесь можно показать ряд опытов и убедить школьников в

этом. Рассказать о Солнечных затмениях. Приступая к изучению законов

отражения целесообразно показать явления отражения и преломления света на

границе двух прозрачных сред, показать как они происходят одновременно. Опыт

сопровождаем рисунком (выпуклая линза, с плоской стороны падает луч,

подписываются падающий, отраженный и преломленный лучи). При демонстрировании

опыта с оптическим диском необходимо обратить внимание учащихся, что при

падении пучка света на границу двух сред (в нашем случае воздух – стекло)

пучок раздваивается первая часть возвращается в среду (явление отражения), в

другая проникает во вторую среду, изменив свое направление (преломление).

Урок по изучению законов отражения можно построить таким образом, чтобы основные

выводы ученики сделали сами, проводя с ними фронтальную лабораторную работу. На

основе опыта формулируется закон отражения: Падающий и отраженный лучи и

перпендикуляр восстановленный в точке раздела сред лежит в одной полуплоскости,

причем угол падения равен углу отражения.

Затем рассматриваются виды отражения: зеркальное и диффузионное. На основе

законов отражения строят изображение в плоском зеркале. Необходимо сделать

акцент на то, что плоское зеркало это приспособление для изменения хода лучей

света, но не может преобразовывать пучки света. Способность органов зрения

животных видеть предметы только прямолинейно, когда от предмета свет

непосредственно падает в глаз относится к их врожденной способности.

Например, глядя на плоское зеркало мы не смотрим на предмет, находящийся

перед зеркалом, поэтому свет от предмета не посредственно не воздействует на

глаз, а воздействует на него, только после отражения от зеркала, так как

отраженный от зеркала свет распространяется прямолинейно, то благодаря

зрительной привычке, наш кажущейся предмет, находится на прямой линии а

именно за зеркалом, а не там, где он находится на сомом деле. Физически

существует только действительное изображение. Здесь исходят их энергетических

представлений. На месте возникновения действительного изображения происходит

на самом деле концентрация энергии света. Мнимое изображение не может быть

получено на экране так как в данном месте энергия не концентрируется. При

Изучении явления преломления света на опыте показываем, что падающий,

преломленный лучи лежат в одной плоскости. Здесь же показывается, что

происходит с преломленным лучом, если он падает из менее плотной среды в

более плотную и наоборот.Сфоармулировать оброзовательное, развивающие и воспитательное значение для учащихся изучаемых вопросов.

Оброзовательное:Учащиеся должны знать следующие суждения:

- Свет от источника света распространяется прямолинейно и во все стороны

- в воздухе пучок света не видим

- отрожаясь свет изменяет свое направление

- угол отражения равен углу падения

Развивающие: учащиеся должны овладеть следующими видами действии

- знать принцип действия лазера

- уметь определять элементы геометрической оптики

- ознакомиться оптическими приборами

Воспитательная: учащиеся должны усвоить что световые явления и геометрическая оптика широко применяются в приборостроении (микроскопы, лупы, телескопы)