Щоб створити лазер – джерело когерентного світла – необхідно:

- робоча речовина з інверсною населеністю. Тільки тоді можна одержати посилення світла за рахунок вимушених переходів;

- робочу речовину слід помістити між дзеркалами, які здійснюють зворотний зв'язок;

- посилення, що дається робочою речовиною, а значить, число збуджених атомів або молекул в робочій речовині, повинне бути більше порогового значення, яке залежить від коефіцієнта віддзеркалення напівпрозорого дзеркала.

Світло – особлива форма рухомої матерії. Воно виткане з окремих згустків, що іменуються квантами. Атоми будь-якої речовини, випромінюючи (або поглинаючи) світло, випускають (або захоплюють) тільки цілісні кванти; у таких процесах (якщо немає якихось особливих умов) атоми не взаємодіють з частками квантів. Довжина хвилі (отже, колір) випромінювання визначається енергією його кванта. Атоми, однакові за своєю природою, випромінюють або поглинають кванти лише конкретної довжини хвилі. Це наочно виявляється в свіченні газорозрядних ламп з однорідним наповненням (наприклад, неоном), які використовуються в декоративній ілюмінації і рекламі. Коли атом випромінює квант світла, він витрачає енергію; поглинаючи квант світла, атом набуває додаткової енергії. Оскільки енергія переноситься до атома і від нього порційно, то і сам атом може перебувати лише в одному з дискретних енергетичних станів – або в основному (з мінімальною енергією), або в якомусь із збуджених. Атом, що знаходиться в основному стані, при поглинанні кванта світла переходить в збуджений стан; при випромінюванні кванта світла все відбувається навпаки. Чим більше квантів поблизу атомів, тим більше і тих атомів, які здійснюють подібні переходи – з підвищенням або пониженням енергії. (Світло своєю присутністю вимушує атоми брати участь в енергетичних переходах, тому такі процеси називають вимушеними – вимушене поглинання і вимушене випромінювання.) При вимушеному поглинанні число квантів зменшується і інтенсивність світла убуває, а енергія атомів зростає. Якщо деяка кількість атомів, потрапивши в освітлення, вимушено випромінює сумарно більше, ніж вимушено поглинає, то виникає лазерний ефект – посилення світла вимушеним випромінюванням (даної множини атомів). Лазерна генерація може виникнути тільки в тій множині мікрочастинок, де збуджених атомів більше, ніж незбуджених. Отже, таку множину атомів треба наперед підготувати, тобто заздалегідь накачати до неї додаткову енергію, черпаючи її від якого-небудь зовнішнього джерела; ця операція так і називається – накачування. Типи лазерів розрізняються в основному за видами накачування. Накачуванням можуть служити:

- електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі, що відрізняється від лазерної;

- електричний струм;

- пучок релятивістських (надзвичайно швидких) електронів;

- електричний розряд;

- хімічна реакція в придатному для генерації середовищі.

Рисунки 2.35 і 2.36 пояснюють дію рубінового лазера. Посріблені торці циліндрового стрижня з штучного рубіна служать дзеркалами. Одне з них покрите менш щільним шаром срібла, тому воно напівпрозоре і крізь нього випромінюється лазерне світло. Рубін – кристал, що складається з окислу алюмінію з домішками окислу хрому. Атоми алюмінію і кисню не відіграють визначальної ролі в лазерній генерації; головні енергетичні переходи реалізуються в хромі. При збудженні атоми хрому переходять з основного стану на один з двох рівнів збудження, позначених F₁ і F₂ (рис. 2.36).

Рисунок 2.35 – Рубіновий лазер: 1 – посріблений торець стрижня (глухе дзеркало); 2 – рубіновий стрижень; 3 – рідина, що охолоджує; 4 – газорозрядна лампа накачування; 5 – кожух (трубка) охолодження; 6 – слабо посріблений торець стрижня (напівпрозоре дзеркало)

Рубіновий лазер – вдосконалена схема конструкції Т.Меймана (1960). Основні його елементи – циліндричний рубіновий стрижень з плоскими посрібленими торцями, кожух охолоджування (його не було в пристрої Меймана) і газорозрядна лампа накачування.

Рисунок 2.36 – Дія лазера

Дія лазера починається із збудження атомів хрому і їх переходів на енергетичні рівні F1 і F2. Потім кожен збуджений атом спонтанно (мимоволі, тобто невимушено) випромінює квант (нелазерного випромінювання) і, втративши частину своєї енергії, переходить на метастабільний рівень E. Далі, під впливом кванта, що вимушує, з лазерною довжиною хвилі (такі кванти є у випромінюванні лампи накачування) атом випромінює ще один такий же квант, узгоджений за фазою з тим, що вимушує, і переходить на свій основний енергетичний рівень.

Рівні досить широкі, і атоми хрому збуджуються багатьма довжинами хвиль світла накачування. Проте унаслідок нестабільності вони миттєво покидають рівні F і переходять на нижчий рівень E; при цих переходах випромінювання не відбувається, а енергія, що вивільняється, передається кристалічній решітці окислу алюмінію, де і розсіюється у формі теплових втрат. Проте з рівня E атом хрому випромінює вимушено і переходить внаслідок цього на основний рівень. Кванти, емітовані атомами хрому, багато разів відбиваються між посрібленими дзеркалами рубінового стрижня і на своєму шляху вимушують багато збуджених атомів випускати такі ж кванти; процес наростає лавиноподібно і закінчується імпульсом лазерного світла. Напівпрозоре дзеркало повинне добре віддзеркалювати лазерне випромінювання, щоб забезпечити необхідну інтенсивність його частки, що вимушує, але одночасно і більше пропускати його на вихід; звичайно його коефіцієнт віддзеркалення – десь 80 %. При вимушеному випромінюванні атом хрому перебуває на збудженому рівні E не більше с а при вимушеному – в 10 тисяч разів довше ( с). Тому у лазерного світла досить часу, щоб викликати вимушене випромінювання величезного числа збуджених атомів активного середовища.

Лазерне випромінювання реалізоване в багатьох активних середовищах – твердих тілах, рідинах і газах.

Типи лазерів:

- твердотільні лазери з оптичним накачуванням;

- газові лазери;

- хімічні лазери;

- напівпровідникові лазери;

- лазери на фарбниках.

У лазерному принтері використовується напівпровідниковий лазер.

2.5.31 Напівпровідникові лазери

Якщо крізь напівпровідникову структуру транзисторного типу пропускати електричний струм, то можна домогтися лазерного ефекту. Габарити і вихідна потужність напівпровідникових лазерів малі, але їх ККД високий. Такі лазери роблять в основному на арсеніді або алюмоарсеніді галію; застосовують їх головним чином в системах зв'язку.

Під впливом світла (у лазерних принтерах джерелом високочастотного когерентного випромінювання є лазер) освітлені ділянки шару напівпровідника на фотобарабані зменшують електропровідність і різниця потенціалів між зовнішньою і внутрішньою поверхнями шару також зменшується. На неосвітлених ділянках шару зменшення зарядів не відбувається. Відомо, що кількість стікаючого заряду пропорційна падаючому світлу. Таким чином, при експонуванні на шарі напівпровідника утворюється приховане електростатичне зображення.

3 РЕКОМЕНДАЦІЇ В ЯКИХ КЛАСАХ ТА ПРИ ВИВЧЕНІ ЯКИХ РОЗДІЛІВ ФІЗИКИ МОЖНА ВИКОРИСТОВУВАТИ ПІДІБРАНИЙ МАТЕРІАЛ

Таблиця 3.1 – Теми нової навчальної програми з фізики до яких відносяться розділи та підрозділи позаурочних занять

Даний курс факультативу можна розбити на 10 занять, як показано у табл. 3.2. Кожне заняття за часом займає дві години з 15-ти хвилинною перервою та проводиться один раз за два тижня. Враховуючи те, що тема основного курсу з фізики, яка відповідає першому розділу факультативного курсу, починається приблизно у жовтні, то з урахуванням святкових днів, даний курс закінчується на початку березня.

Таблиця 3.2 – План позаурочних занять

ВИСНОВКИ

Результати роботи полягають у наступному:

1. Вдалось з’ясувати переваги та недоліки різних форм позакласної роботи. Найпродуктивнішим та досконалим виявилось проведення факультативних занять з фізики у школі.

2. Був знайдений матеріал про сучасні технології, які можна використовувати на позаурочних заняттях з фізики.

3. Розроблено елементи методичного посібника для проведення позаурочних курсів з фізики, який містить цікаві матеріали про сучасні технології, які використовуються в комп’ютерній техніці.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Вахольский Б.М. Факультативные занятия «Основы электроники» в старших классах средней школы / Б.М. Вахольский, Г.И. Рах. – Ростов-на-Дону: Редакционно-издательский совет Ростовского-на-Дону (головного) государственного педагогического института, 1973. – 143 с.

2. Внеурочная работа по физике / О.Ф. Кабардин, Э.М. Браверман, Г.Р. Глущенко и др.; Под ред. О.Ф. Кабардина. – М.: Просвещение, 1983. – 223 с.

3. Колесниченко О. Лазерные принтеры. Взгляд на принтер изнутри. Технология лазерной печати / О. Колесниченко, М. Шарыгин, И. Шишигин // Техника молодежи. – 2004. – № 6. – С. 42 – 74.

4. Ланина И.Я. Внеклассная работа по физике / И.Я. Ланина. – М.: Просвещение, 1977. – 224 с.

5. Ланина И.Я. Не уроком единым. Развитие интереса к физике / И.Я. Ланина. – М.: Просвещение, 1991. – 223 с.

6. Талан А.В. Все блины комом. Разбираем жесткий диск по полочкам / А.В. Талан // Лучшие компьютерные игры. – 2006. – №56. – С. 202-204.

7. Талан А.В. Мирный лазер / А.В. Талан // Лучшие компьютерные игры. – 2006. – №57. – С. 208-210.

8. http://www.ixbt.com/storage.shtml – 15.11.2008.

9. http://www.krugosvet.ru; Онлайн Енциклопедія. –19.11.2008.

10. http://microlux.bsolution.net – 21.03.2009.

11. http://www.pctechguide.com – 25.03.2009.

Додаток А

Напівпровідники

А.1 Теорія напівпровідників

Дія електронних ламп заснована на керуванні струмом електронів, що йдуть від електрода (катода), що нагрівається, до електрода, що збирає (анода). Катод нагрівається окремим нагрівальним елементом. Для роботи такого пристрою потрібна значна кількість електроенергії.