XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Свойства лазерного луча. Лазерные указки.
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В процессе жизнедеятельности люди непрерывно подвергаются влиянию различных факторов на их организмы, некоторые из которых обусловлены природным происхождением, а другие созданы самим человеком. С приходом в нашу жизнь IT-технологий окружающее воздействие увеличилось в несколько раз. У людей уже в юном возрасте стали появляться проблемы со здоровьем, в том числе и со зрением. Современная промышленность активно использует последние достижения в физике и технике. Это в полной мере относится и к успехам науки в области лазерной физики и техники. Понятие "лазер" прочно вошло в современный обиход, хотя и прошло немного лет со дня создания первых лабораторных образцов этих приборов. Уникальные свойства лазера способствуют выполнению большого количества операций над материалами, и в свою очередь, представляют высокую опасность поражения органов зрения человека. Лазерный луч многофункционален во всех сферах его применения, именно это и является одним из актуальных аспектов, направленных на изучение данной темы. Первой отраслью медицины, в которой нашли применение лазеры, стала офтальмология. Глаз, будучи оптической системой, оказался идеальным объектом для бесконтактного воздействия лазерного луча. Периодически о том, как дети портят глаза лазерными указками, сообщают СМИ.
Цель работы: сравнение основных свойств лазерного луча в различных лазерных указках и выяснение безопасности использования.
В ходе работы необходимо решить следующие задачи:
изучить лазерный луч с точки зрения его природы;
изучить применение лазерных указок и их разновидности;
изготовить лазерную указку своими руками;
провести исследование, направленное на изучение свойств лазерных указок
Гипотеза: лазерные указки разрешённого типа могут нанести вред человеку.
Методы исследования: теоретические и практические.
На основе информации из научной литературы и интернет источников, а также наглядном примере действия лазерной установки, будут сделаны выводы и заключения о свойствах лазерного луча в домашних условиях, изучена безопасная длина волны лазерного луча для глаза человека. Для воплощения проектной деятельности руководствовалась справочными материалами из научной литературы, учебных пособий по физике, а также изучила схемы для сооружения лазерной установки. Необходимо подробно узнать о спектре свойств лазерного луча, воссоздать подобные условия для реализации опыта в домашних условия, чтобы убедится на практике в свойствах лазерного луча, теоретически изучить использование данного физического явления в медицине. По завершении работы, сделать вывод о свойствах лазера.
Предметная область: физика
Вид проекта: практико-ориентированный
План работы
|
Этапы исследования |
Содержание работы |
Сроки реализации |
|
Подготовительный |
Изучение и анализ научно-популярной, учебной литературы, источников Интернет и периодической печати по теме работы. На основе этого анализа были выявлены направления исследования, определены его объект, предмет, цель, задачи и сформулирована рабочая гипотеза. |
Август 2020 г. |
|
О сновной |
Изучение схемы сборки лазерной указки и подбор материала для её изготовления Проведение экспериментов с целью проверки выдвинутой нами гипотезы. |
Ноябрь-декабрь 2020 г. Январь-февраль 2021 г. |
|
Заключительный |
Обработка и анализ результатов, выводы. |
Сентябрь-декабрь 2021 г. |
Риски исследования: возникновение технических ошибок при создании макетной установки.
Ресурсы:
Интернет-ресурсы
Материалы для создания лазерного луча (провода, RW привод, резисторы, стальной корпус, конденсаторы, аккумуляторы, паяльник, коллиматор)
Научные статьи из журналов
Книги по физике
Видео уроки по физике
1. Основная часть
1.1 Понятие лазерного луча, как физического явления и его измерения
Лазерный луч -это устройство, преобразующее энергию накачки в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.В отличие от других источников света, которые применялись в основном для освещения, лазеры предназначаются для других целей. Лазер является источником света, с помощью которого может быть получено когерентное электромагнитное излучение, которое известно нам из радиотехники и техники сверхвысоких частот, а также в коротковолновой, в особенности инфракрасной и видимой, областях спектра. Излучение лазера отличается от излучения обычных источников света следующими характеристиками:
Высокой спектральной плотностью энергии
Монохроматичностью
Высокой временной и пространственной когерентностью
Высокой стабильностью интенсивности лазерного излучения в стационарном режиме (возможностью генерации очень коротких световых импульсов).
Лазерный луч – пучок интенсивного света, отличающегося выше перечисленными свойствами.
Данные свойства позволяют разнообразить применения лазера, а также отличают его от обычных источников света процессом генерации излучения.
1.2 Свойства лазерного излучения
Лазерное излучение характеризуется чрезвычайно высокой степенью монохромности, когерентности, направленности и яркости. К этим свойствам можно добавить генерацию световых импульсов малой длительности. Это свойство, возможно, менее фундаментально, но оно играет очень важную роль. Лазерное излучение обладает высокой энергией, которая способна вызвать в тканях организма тепловые, фотохимические, ударно-акустические и другие эффекты.[6] Высокая мощность лазерного излучения может привести к поражению ткани за короткий промежуток времени. Плотность энергии излучения достигает высоких, поражающих значений посредством малого размера пучка. Пучок, распространяясь изменяется незначительно в силу небольшой расходимости, соответственно, присутствует риск поражения даже на большом расстоянии. Причём, в случае распространения невидимого излучения, наличие опасности может быть неочевидно, и даже видимое излучение будет заметно в воздухе лишь при наличии взвешенных частиц.
Итак, к физическим свойствам лазерного луча относится:
Монохромность (один цвет, длина волны)
c - скорость света( в вакууме c=3·108)
T – период колебаний
v - частота колебаний
За цвет светового пучка отвечает длина волны (рисунок 1)
Рис. 1
Когерентность – одинаковая частота и разность фаз.
Лазерное излучение обладает высокой когерентностью за счет явления вынужденного излучения. Излучение, создаваемое отдельными точками активной среды, имеет сдвиги фазы, соответствующие распространению одной плоской электромагнитной волны, так что из лазера выходит электромагнитная волна с постоянной фазой и амплитудой (рисунок 2).
Рис. 2 Когерентное волны
Мощность, энергия квантов, длительность
E – энергия кванта
h – постоянная Планка, h ≈ 6,63·10-34 Дж·с
- мощность импульса ( Вт), t- длительность ( с)
Ещё одно свойство малая длительность. Она позволяет сконцентрировать в малом объеме значительную энергию. Лазер не требует времени для нагрева, поэтому возможно получать импульсы длительностью 10-15с. Это позволяет рассмотреть даже процесс протекания быстрых химических реакций.
Лазерное излучение обладает также очень малым угловым расхождением пучка (в 104 раз меньше, чем у традиционных оптических осветительных систем, например, у прожектора). Малая угловая расходимость позволяет фокусировать излучение линзами и вогнутыми зеркалами вплоть до 1 мкм и создавать значительные плотности мощности на облучённых участках. По этому показателю лазерное излучение превосходит излучение всех других источников света.
Конструкции лазеров очень разнообразны. Лазеры различаются: способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей активной средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и т.д.); конструкцией резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный). Эти различия определяются многообразием требований к характеристикам лазера в связи с его практическими применениями.
Благодаря своим особым свойствам по сравнению с другими источниками света лазеры широко применяются во многих областях деятельности человека.
Классификация лазера
Лазеры разделяются по типам прежде всего в зависимости от их активной среды. Это затрудняет введение достаточно простой, но в тоже время всеобъемлющей классификации лазеров. Лазеры классифицируют по следующим признакам: по агрегатному состоянию активной среды (газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые)
Газовые лазеры: лазеры, в которых в качестве активной среды используются газообразные вещества, это связано с тем, что газы по сравнению с конденсированными средами обладают большей однородностью, тем самым позволяет легче достигать дифракционного предела расходимости. Также газовые лазеры обладают высокой монохромностью и направленностью излучения.
Твердотельные лазеры: активной средой данных лазеров являются кристаллические или аморфные вещества, в матрице которых равномерно распределены ионы примеси. Кристаллические лазеры должны быть прозрачны для излучения, обладать высокой механической и фотохимической стойкостью и хорошей теплопроводностью.
Жидкостные лазеры: активной средой жидкостных лазеров обычно являются растворы органических красителей в воде, метиловом или этиловомспиртах, толуоле и других растворителях. Эти лазеры соединяют в себе твердотельных и газовых лазеров. Основные их преимущества – возможность плавной перестройки длины волны генерации в достаточно широком диапазоне спектра.
Полупроводниковые лазеры: инверсия населенностей в полупроводниковых лазерах создается на переходах между состояниями в электронных энергетических зонах полупроводникового кристалла. Характерные свойства данных лазеров – компактность, высокий КПД, широкий диапазон длин волн генерации, плавная перестройка длины волны генерации, простота конструкции.
1.4 Применение лазера в медицине
Лазер в медицине позволяет осуществлять коррекцию здоровья человека на различных уровнях его организма: молекулярном, клеточном, органном и организменном. В офтальмо хирургии лазеры применяются в следующих направлениях:
в хирургии катаракты: для разрушения катарактального скопления на хрусталике и дисцизии задней капсулы хрусталика при ее помутнении в послеоперационном периоде;
в хирургии глаукомы: при выполнении лазерной гониопунктуры, трабекулопластики, эксимерлазерного удаления глубоких слоев склерального лоскута, при проведении процедуры непроникающей глубокой склерэктомии;
в офтальмоонкохирургии: для удаления некоторых видов опухолей, расположенных внутри глаза.
В офтальмологии эпоха лазерных операций отсчитывается от 1968 г., когда аргоновый лазер с длиной волны 531 нм был использован для коагуляции «приваривания» отслоившейся сетчатки. Другое заболевание глаза, при котором активно используется излучение лазера, — глаукома, характеризующаяся накоплением жидкости в глазу. Лазер играет роль своеобразной иглы, обеспечивая создание каналов для оттока жидкости. Но самое широкое применение лазерная микрохирургия нашла в коррекции рефракции (изменении кривизны роговицы).
Эксимерный ArF-лазер с длиной волны 193 нм - газовые лазеры, излучение которых возбуждается электрическим разрядом или электронным пучком используется для коррекции рефракции. Это излучение в УФ области (193–350 нм) имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления, что в свою очередь, приводит к генерации коротких импульсов (их характерная длительность ≈10–20 нс, Коротковолновое излучение ArF-лазера с энергией кванта 6,4 эВ, воздействуя на роговицу, приводит (при минимальном термическом воздействии!) к испарению с поверхности ненужной жидкости с очень высокими, практически сверхзвуковыми, скоростями.
1.5 Лазерные указки и их применение
Среди различных технологичных новинок, которые нашли широкое применение во многих сферах жизнедеятельности, можно вспомнить лазерную указку. Она работает по следующему принципу: инфракрасный светодиод излучает лазерный луч, который дальше непрерывно проходит через систему кристаллов и линз. За счёт этого луч концентрируется и становится видимым для человеческих глаз. Сегодня в продаже можно встретить указки с красным, зелёным и синим свечением. Вообще луч лазера может быть любого цвета, однако не весь диапазон будет безопасен для человека. Подобные свойства лазерной указки позволили задействовать этот гаджет во многих областях. В первую очередь, данные устройства используют в школах, университетах и прочих учебных заведениях. С её помощью преподаватель в крупной аудитории может сконцентрировать внимание учащихся на определённой точке на доске или экране. С той же целью лазерные указки применяются на бизнес-презентациях. Красные лазерные указки могут использоваться в помещениях и вечером на открытых пространствах. Зеленые лазерные указки могут использоваться в тех же условиях, но зеленые лазерные указки, в отличие от красных, хорошо видны на улице днем и на дальних расстояниях.
Лазерные указки также отличаются по мощности и дальности распространения светового луча.
Конечно, те указки, которые продаются в магазине должны быть сертифицированы и подвергать людей опасности. В работе с указками в первую очередь страдают глаза человека.
Характер повреждения биоткани зависит от параметров излучения, площади облученного участка, а также от биологических и физико-химических особенностей облучаемых тканей и органов.
Обыкновенные лазерные указки обладают мощностью 1-5 мВт, их относят к 2-3А классам опасности. Они могут быть опасными, в случаях направления луча в глаза людям на довольно-таки продолжительные периоды или при помощи оптических приборов.
Человеку может угрожать опасное повышение внутриглазного давления, повреждение сред глаза. Например, лазерное излучение с длиной волны от 380 до 1400 нм наибольшую опасность несет для сетчатки глаза, а излучение с длиной волны от 180 до 380 нм и свыше 1400 нм - для передних сред глаза. Согласно требованиям, СанПиН 5804-91 «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» при работе с лазерным излучением предусмотрено использование защитных очков, лицевых щитков и насадок, защитной спецодежды, наличие предупреждающих надписей и опознавательных знаков, проведение медицинского осмотра персонала, применение средств дозиметрического контроля, наличие устройств сигнализации и блокировки, прерывающих работу излучателя в случае опасности. Все части лазерных технологических установок по возможности помещаются в защитный корпус (кожух).
Основной механизм разрушения клеток сетчатки под действием лазера – повышение температуры. Результатом обычно становится появление слепого пятна, размер которого зависит от длительности экспозиции и площади поражения. Лазеры с определенной длиной волны более разрушительно действуют на роговую оболочку и хрусталик, проводя к ожогам и катарактам. Однако последнее обычно не случается при пользовании указкой. При соблюдении правил техники безопасности лазерные указки, одобренные регуляторными органами, считаются сравнительно безопасными. Лазер слабой мощности наносит ущерб только если прицельно направлять его в глаза, целиться в транспортные средства.
2. Практическая часть
Создание макетной модели лазерной указки
Для создания макетной установки лазерной указки необходимы следующие материалы:
рабочий DVD-RW привод со скорость записи 16х;
конденсаторы 100 пФ и 100 мФ;
резистор 2-5 Ом;
три аккумулятора ААА;
паяльник и провода;
коллиматор (или китайская указка);
Это необходимый минимум для изготовления простой модели драйвера. Драйвер — это плата которая будет выводить лазерный диод на нужную мощность. Подключать напрямую источник питания к лазерному диоду не стоит — выйдет из строя. Лазерный диод нужно питать током, а не напряжением.
Коллиматор — это модуль с линзой, которая сводит всё излучение в узкий луч. Коллиматор возьмём из китайской указки, однако, лазерный диод будет сложно закрепить, а сам корпус коллиматора, наверняка, будет сделан из металлизированного пластика. Это значит, что наш диод будет плохо охлаждаться.
Сначала необходимо добыть сам лазерный диод (рисунок 4). Это очень хрупкая и маленькая деталь нашего DVD-RW привода. Мощный красный лазерный диод находится в каретке нашего привода. Отличить его от слабого можно по радиатору большего размера, нежели у обычного ИК-диода.
Рекомендуется использовать антистатический браслет, так как лазерный диод очень чувствителен к статическому напряжению.
Необходимо спаять все вышеперечисленные материалы по схеме: (рисунок 3)
Рис. 3
Драйвер необходимо спаять по данной схеме:
Рис.4
Возможно, что лазерный диод может выйти из строя мгновенно при неправильной полярности подводимого питания.
В результате поучаем готовую модель лазерной указки. (рисунок 5)
Рис. 5
2.2 Исследование свойств лазерного излучения на практическом уровне
Для изучения свойств были куплены две лазерные указки красного, зелёного цвета и указка, собранная мною, были проведены следующие опыты:
1. Сравнение температуры нагревания поверхности за определённое время:
Оборудование: лазерная указка зелёного цвета, лазерная указка красного цвета, лазерная указка, собранная мною, бесконтактный медицинский термометр.
С помощью лазерных указок луч направлялся на металлическую пластинку термометра и показания снимались через 30 секунд. (рисунки 6,7,8)
Рис. 6 красный лазер Рис. 7 зелёный лазер Рис. 8 собранный лазер
Вывод: собранная мною лазерная указка нагревала поверхность пластинки на большую температуру.
2. Расчёт мощности лазерной указки:
Это примерный расчёт, так как нужно учесть расхождение светового пучка, передачу тепла окружающей среде, погрешности расчета и измерения
Энергию нагревания можно найти из расчета количества теплоты при нагревании:
где с- удельная теплоёмкость вещества пластинки.
В паспорте у термометра, написано, что вещество из которого изготовлена пластинка – сталь, масса её 8 г, рассчитаем мощности лазерных указок:
Для собранной:
Для красной:
Для зелёной:
Вывод: собранная мною указка имеет большую мощность.
Этот вывод можно доказать с помощью другого эксперимента:
С помощью моей указки можно поджечь спичку: (рисунок 9)
Рис. 9
3. Определение цвета с помощью дифракционной решётки:
Оборудование:
Штатив.
Дифракционная решётка 100 штрихов на мм.
Измерительная лента.
Дифракционная решетка – оптический прибор, представляющий собой большое число параллельных и очень близко расположенных узких щелей, которые пропускают или отражают свет.
Дифракционные решетки с различным числом щелей на 1 мм (рисунок 10)
Рис.10
Используя формулу дифракции: d·sinφ=k·λ, установим дифракционную решётку и измерим расстояния между первым дифракционным максимумом для каждой лазерной указки (рисунки 11,12,13):
Так как углы дифракции малы, то для них можно принять: sinφ ≈ tgφ, а tgφ=a/b.
Поэтому: , и искомая длина световой волны равна
Пусть: k= 1
Рис. 11 длина волны собранной указки Рис. 12 длина волны зелёной указки Рис. 13 длина волны красной указки
Тогда для лазерной указки, собранной мной:
Для красного цвета:
Для зелёного цвета:
Измерения показывают соответствие с табличными значениями (рисунок 14).
Рис. 14
Выводы
Проанализировав результаты опытов, мной были сделаны следующие выводы:
1. Лазерные указки мощностью до 5 м Вт- безопасны. Купленная лазерная указка красного цвета может быть использована для проведения лабораторных работ в школе.
2. Мощность зелёной указки заметно больше. (80 мВт). Она может нанести вред.
Основным её предназначением служит - строительство, походы в лес, лазерные шоу или демонстрация на открытых площадках. Дальность луча от 3 до 20 км, в зависимости от мощности лазера. Такой лазер следует покупать и использовать только под присмотром взрослых, так как является опасным для здоровья, особенно при попадании лазера в глаза.
3 . Собранная лазерная указка наиболее мощная, опасна для человеческого глаза. Имеет мощность 100 мВт. Такой указкой можно поджечь. Она опасны в использовании.
4. Нормы СанПиН 5804-91 определяют степень безопасности лазерных указок с учётом непопадания в глаз человеку. Поэтому даже если указка малой мощности, то все равно светить в глаз человеку любой указкой нельзя.
Итак, моя гипотеза подтвердилась. Цель была достигнута. И в завершении следуют сказать, что почти на каждом углу можно купить дешевую китайскую «лазерную» указку, оснащенную магнитом, ручкой, фонариком и инфракрасным лазерным диодом. Особенно интенсивно эти устройства продаются в метро, на рынках, в поездах – в этих местах не нужно предъявлять сертификат соответствия прибора стандартам. Если лазерную указку использовать не по назначению, она может стать опасной игрушкой.
Список используемых источников
Борн М. Основы оптики [Текст] / М. Борн, Э. Вольф; Пер. с англ. С. Н. Бреуса [и др.]; Под ред. Г. П. Мотулевич. - Москва: Наука, 1970. - 855 с. : ил.; 26 см.
Зветло О. Принципы лазеров = Principles of lasers / Орацио Звелто; под науч. ред. Т. А. Шмаонова ; пер. с англ. Д. Н. Козлова, С. Б. Созинова и К. Г. Адамович. - 4-е изд. - Санкт-Петербург [и др.]: Лань, 2008. - 719 с.: ил.; 23 см.; ISBN 978-5-8114-0844-3
Абильсиитов Г.А. Технологические лазеры: В 2 т. / [Г. А. Абильсиитов и др.]; Под ред. Г. А. Абильсиитова. - М.: Машиностроение, 1991-. - 22 см.
Т. 1: Расчет, проектирование и эксплуатация. - М.: Машиностроение, 1991. - 431 с.: ил.; ISBN 5-217-01269-2
Бруннер В. Справочник по лазерной технике / Перевод с нем. В. Н. Белоусова; Под ред. А. П. Напартовича. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 543, [1] с.: ил.; 22 см.; ISBN 5-283-02480-6
Вартапетов С.К. Лазеры — зрению / С.К. Вартапетов И. А. Щербаков // Эементы: [сайт] / «ПРИРОДА» №6, 2016 - https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/434130/Lazery_zreniyu (дата обращения 30.08.2021 г.)
Щербаков И.А. ЛАЗЕРЫ / И.А. Щербаков // Большая российская энциклопедия: [сайт] - https://bigenc.ru/physics/text/4341828 (дата обращения 03.09.2021г.)
Об опасности лазерных указок // ФБУЗ «Центр гигиенического образования населения» Роспотребнадзора:[сайт] - http://cgon.rospotrebnadzor.ru/content/633/ob-opasnosti-lazernyx-ukazok#:~:text=Основной%20механизм%20разрушения%20клеток%20сетчатки,длительности%20воздействия%20и%20площади%20поражения (дата обращения: 05.09.2021)
Лазер // Интернет-энциклопедия Википедия: [сайт] - https://ru.wikipedia.org/wiki/Лазер (дата обращения: 09.09.2021 г.)
Естествознание 11 класс / Урок 19. Свойства лазерного излучения. Использование лазеров // Государственная образовательная платформа «Российская электронная школа»: [сайт] - https://resh.edu.ru/subject/lesson/5632/conspect/147329/
Санитарно-эпидемиологические требования к источникам лазерного излучения // Федеральное бюджетное учреждение здравоохранения «Центр гигиены и эпидемиологии в Курской области», 2006-2019 г.: [сайт] - http://46cge.rospotrebnadzor.ru/content/санитарно-эпидемиоогические-требования-к-источникам-лазерного излучения#:~:text=Лазерное%20 излучение%20с%20длиной%20волны,-%20для%20передних%20сред%20 глаза (дата обращения: 09.09.2021 г.)
Порядок присвоения номера ISBN // Российская книжная палата: [сайт]. –2018 – URL: http://bookchamber.ru/isbn.html (дата обращения: 09.09.2021 г.).