Световые кольца. Лазер

Что такое лазер?
Ла́зер или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного , монохроматического , поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Устройство лазера
Все лазеры состоят из трёх основных частей:
активная (рабочая) среда;
система накачки (источник энергии);
оптический резонатор (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).
1-активная среда
2-энергия накачки лазера
3-непрозрачное зеркало
4-полупрозрачное зеркало
5-лазерный луч

Активная среда
В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана.

Система накачки

Оптический резонатор

История:
1916 год: А. Эйнштейн предсказывает существование явления вынужденного излучения — физической основы работы любого лазера.
Строгое теоретическое обоснование в рамках квантовой механики это явление получило в работах П. Дирака в 1927—1930 гг.
1928 год: экспериментальное подтверждение Р. Ладенбургом и Г. Копферманном существования вынужденного излучения.
В 1940 г. В. Фабрикантом и Ф. Бутаевой была предсказана возможность использования вынужденного излучения среды с инверсией населённостей для усиления электромагнитного излучения.

1950 год: А. Кастлер предлагает метод оптической накачки среды для создания в ней инверсной населённости. До создания квантового генератора оставался один шаг.
1954 год: первый микроволновой генератор — лазер на аммиаке (Ч. Таунс, Басов Н. Г. и Прохоров А. М.). Из-за технологических трудностей многие учёные в то время считали, что создать генератор видимого излучения невозможно.
1960 год: 16 мая Т. Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора — лазера. В декабре того же года был создан гелий-неоновый лазер(А. Джаван, У. Беннет, Д. Хэрриот). В 1961 г. был создан лазер на неодимовом стекле, а в течение следующих пяти лет были разработаны лазерные диоды, лазеры на красителях, лазеры на двуокиси углерода, химические лазеры. В 1963 г. Ж. Алфёров и Г. Кремер разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых были созданы многие лазеры.

Задача:
Направьте струю жидкости на твердую поверхность и осветите место контакта лазерным лучом. Можно увидеть световое кольцо вокруг струи. Найдите, как характеристики кольца зависят от существенных параметров.
Мы рассматривали 3 параметра:
1)направления лазерного луча;
2)мощность струи;
3)высота струи;

Исследование характеристик колец от направления
Место контакта струи воды и поверхности – это окружность. Кольца зависят от того, в какую точку окружности попадёт луч. Если луч попадёт в центр окружности, то образуются 2 больших и ярких кольца, а если луч попадёт в край окружности, то образуются 2 больших и ярких кольца и до 3 маленьких и менее ярких колец, находящихся между 2 большими.
Объяснение: если лазерный луч попадёт в центр струи, то луч не рассеивается, а чётко отражается и образует 2 больших и ярких кольца. А если луч попадает в край струи, то луч рассеивается сильнее и образует от 3 до 5 колец.

Мощность струи
При низкой или средней мощности струи (под которой мы моем руки) кольца образуются стандартно (2 – 5 колец).
При высокой мощности струи образуются не кольца, а «Световая стена» высотой в несколько сантиметров.
Объяснение: при высокой мощности струи поток воды разделяется на капли. Каждая капля отражает луч по - своему. Поэтому ,в данном случае кольца образовываться не могут, так как не выполняются условия интерференции.

Высота струи
При низкой высоте струи (около 10 см) образуются яркие и большие кольца.
При большой высоте струи (в несколько раз больше) образуются маленькие и менее яркие кольца.
Объяснение: при большой высоте струи поток воды разделяется на капли. Поэтому больше света отражается и выходит из струи. И лишь малая часть света образует кольца.

Вывод:
Световые кольца были бы невозможными без отражения, преломления и интерференции света. Количество и яркость колец зависят от следующих существенных параметров:
мощности струи;
высоты струи;
от направления лазерного луча.