UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO

Oddelek za fiziko

Diplomsko delo

LASER IN NJEGOVA UPORABA

Mentorica: Kandidatka:

dr. Nataša VAUPOTIČ Stanislava TOPLAK

izredni profesor

Maribor, 2009

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorici, izr. prof. dr. Nataši Vaupotič, za vodenje, pomoč in nasvete

pri izdelavi diplomske naloge.

III

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO

IZJAVA Podpisana Stanislava Toplak, roj. 11. 3. 1968 v Ptuju, študentka Fakultete za

naravoslovje in matematiko Univerze v Mariboru, dvopredmetnega pedagoškega

študijskega programa matematika in fizika, izjavljam, da je diplomsko delo z naslovom

LASER IN NJEGOVA UPORABA pri mentorici dr. Nataši Vaupotič avtorsko delo. V

diplomskem delu so uporabljeni viri in literatura korektno navedeni; teksti in druge

oblike zapisov niso uporabljeni brez navedbe avtorjev.

Maribor, 10. 8. 2009 Stanislava Toplak

IV

TOPLAK, S.: Laser in njegova uporaba. Diplomsko delo, Univerza v Mariboru, Fakulteta za naravoslovje in matematiko,

Oddelek za fiziko, 2009

IZVLEČEK Laserska svetloba se od navadne svetlobe razlikuje po nekaterih zanimivih lastnostih kot so monokromatičnost, koherentnost, majhen divergenčni kot in možnost velike gostote energije. Te lastnosti pogojujejo tudi njegovo uporabo v medicini, tehniki in na drugih področjih. Namen diplomske naloge je podati teoretične osnove za razumevanje delovanja in uporabe laserja ter pripraviti nekaj elektronskih prosojnic in poskusov, ki bodo učiteljem v pomoč pri poučevanju. Elektronske prosojnice so izdelane interaktivno in prikazujejo povezavo lastnosti laserske svetlobe z uporabo. Opisani so štirje poskusi. Prva dva prikazujeta interferenco in uklon. Druga dva prikazujeta uporabo laserja za merjenje majhnih razdalj in določanje dioptrije. Prosojnice in poskuse lahko pri poučevanju uporabimo za motivacijo ali pa kot podporo podajanju učnih vsebin. Ključne besede: laser, laserska svetloba, valovanje, koherentnost, monokromatičnost, laserska kirurgija, merilni laser, obdelava materialov, poskusi z laserjem.

TOPLAK, S.: Laser and its use.

Graduation Thesis, University of Maribor, Faculty of Natural Sciences and

Mathematics, Department of Physics, 2009 ABSTRACT The laser light differs from the ordinary light in many interesting characteristics. It is monochromatic, coherent, it has small divergence angle and possibility of large energy density. These characteristics determine also laser application in medicine, technology and other areas. The main purpose of the graduation thesis is to give the theoretical basis of laser operation and its application and to prepare some electronic transparencies and experiments as a supporting material for teachers. The electronic transparencies are interactive and they show us the connection between the laser light characteristics and its application. A description of four experiments is included. The two of them represent the interference and diffraction. The other two represent laser application for measurements of small distances and determination of the dioptry. The electronic transparencies and experiments can be used as motivation and as a support of teaching new skills. Key words: laser, laser light, waves, coherence, monochromatism, laser surgery, laser measurement, treating materials, experiments with laser.

1

Kazalo 1 Uvod............................................................................................................................... 2 2 Razvoj laserja................................................................................................................. 4 3 Dvojna narava svetlobe.................................................................................................. 6

3.1 Svetloba kot valovanje............................................................................................ 7 3.1.1 Odboj in lom valovanja.................................................................................... 7 3.1.2 Koherentni in nekoherentni izvori svetlobe..................................................... 9 3.1.3 Interferenca valovanja...................................................................................... 9 3.1.4 Uklon valovanja............................................................................................. 12

3.2 Kvantna teorija svetlobe ....................................................................................... 14 3.2.1 Prehodi s sevanjem ........................................................................................ 15 3.2.3 Einsteinova zveza .......................................................................................... 16 3.2.4 Invertirana zasedenost.................................................................................... 18

4 Laser............................................................................................................................. 19

4.1 Delovanje in deli laserja ....................................................................................... 19 4.2 Lastnosti laserske svetlobe.................................................................................... 21 4.3 Vrste laserjev ........................................................................................................ 23

4.3.1 Helij-neonski laser ......................................................................................... 23 4.3.2 Rubinski laser ................................................................................................ 24 4.3.3 Polprevodniški laser....................................................................................... 26

5 Uporaba laserja ............................................................................................................ 28

5.1 Uporaba laserja v tehniki ...................................................................................... 28 5.1.1 Laserska obdelava materialov in njene prednosti .......................................... 28 5.1.2 Merilni laserji................................................................................................. 30

5.2 Uporaba laserja v medicini ................................................................................... 31 5.2.1 Destruktivno delovanje laserske svetlobe...................................................... 32 5.2.2 Stimulativno delovanje laserske svetlobe ...................................................... 33 5.2.3 Laserski operativni posegi ............................................................................. 33 5.2.4 Uporaba laserja v diagnostiki ........................................................................ 34

6 Laser pri poučevanju v osnovni in srednji šoli ............................................................ 36

6.1 Elektronske prosojnice.......................................................................................... 36 6.2 Poskusi z laserjem................................................................................................. 50

6.2.1 Uklon ............................................................................................................. 51 6.2.2 Interferenca .................................................................................................... 52 6.2.3 Uklon laserske svetlobe na zgoščenki – merjenje majhnih razdalj ............... 55 6.2.4 Laserske pege – določanje dioptrije............................................................... 57

7 Zaključek ..................................................................................................................... 59 Literatura......................................................................................................................... 61

2

1 Uvod Z laserjem se srečujemo vsak dan. Največkrat se tega niti ne zavedamo. Tiskamo

gradivo z laserskimi tiskalniki ali pa zapisujemo podatke na zgoščenke. Ko se peljemo

mimo gradbišča, vidimo delavce, ki pri svojem delu uporabljajo različne laserske

nivelirje in merilne naprave. Če nas izda zdravje, nam v zdravstvenih institucijah z

laserskimi napravami diagnosticirajo, velikokrat pa tudi pozdravijo različne bolezni.

Signali v telekomunikacijah se prenašajo preko optičnih vlaken, nosilec je laserska

svetloba. V industrijskih obratih obdelujejo materiale z laserskimi napravami. In še bi

lahko naštevali. Uporaba laserja je tako široka zaradi njegovih posebnih lastnosti.

Laserska svetloba je koherentna, monokromatična, divergenčni kot razširjanja je zelo

majhen. Vse te lastnosti nam omogočajo, da curek laserske svetlobe zberemo na zelo

majhnem področju in zato na tem področju dobimo zelo velike gostote energije. Zato je

pomembno, da z osnovnimi lastnostmi in uporabo laserske svetlobe seznanimo že

učence v osnovni šoli in dijake v srednji šoli. Razlaga mora seveda biti prilagojena

razvojni stopnji učencev oziroma dijakov.

Zato je tema moje diplomske naloge laser in iskanje načina kako uporabnost laserja

predstaviti učencem v osnovni in srednji šoli. Najprej sem se želela sama temeljito

poučiti o fizikalnem ozadju delovanja laserja. Zato sem pregledala kar nekaj literature s

področja valovanja, valovne optike [1, 9] in kvantne mehanike [8, 9]. Nato sem poiskala

literaturo s področja laserja in njegove uporabe [3, 5, 7, 10, 11, 12 in 13]. Vsepovsod

sem hkrati z opisi uporabe našla tudi opise posameznih vrst laserjev in lastnosti, ki

lasersko svetlobo ločijo od drugih vrst svetlobe. Naslednja literatura, ki sem jo

pregledala, je bila s področja obravnave valovanja, svetlobe in kvantne mehanike v

osnovni in srednji šoli. Pregledala sem učne načrte [19, 20, 21] in učbenike [4, 6] za

naravoslovje v šestem in sedmem razredu osnovne šole, fiziko v osmem in devetem

razredu osnovne šole in fiziko v srednji šoli. Iskala pa sem tudi spletne strani s to

tematiko. Želela sem najti čim več slikovnega materiala [16, 17, 23], različnih apletov

[17, 18, 23], pa tudi opisov poskusov [15].

Tako se je izoblikovala ideja o vsebini diplomske naloge. Prvi cilj je opis fizikalnih

osnov delovanja laserja, njegovih lastnosti, vrst in uporabe. Opis je pripravljen tudi v

obliki elektronskih prosojnic, ki so podpora obravnavi zgoraj omenjenih vsebin v

3

osnovni in srednji šoli. Vloga prosojnic je motivacija pa tudi pomoč pri obravnavi učnih

vsebin. Drugi cilj, ki sem si ga zastavila, je pripraviti nekaj atraktivnih poskusov z

laserjem, kjer se uporabljajo pripomočki, ki jih lahko najdemo sami in niso povezani z

velikimi stroški. Ideje sem našla pri Paulu Dohertyju [15] iz Exploratoriuma v San

Franciscu.

Diplomsko delo začenjam s pregledom razvoja laserja (2. poglavje). V 3. poglavju je

podana valovna in kvantna teorija svetlobe. V 4. poglavju opisujem delovanje, vrste in

lastnosti laserja. Kratek pregled uporabe laserja v tehniki in medicini je podan v 5.

poglavju. 6. poglavje je namenjeno elektronskim prosojnicam in navodilom za izvajanje

poskusov z laserjem. Elektronske prosojnice so izdelane interaktivno in so podane tudi

na priloženi zgoščenki.

4

2 Razvoj laserja

Za nastanek laserske svetlobe je potrebno stimulirano sevanje, ki ga bomo opisali v

nadaljevanju. Prvi, ki se je z idejo o stimuliranem sevanju ukvarjal, je bil Albert

Einstein (slika 1a). V svojem delu o kvantni mehaniki sevanja iz leta 1917 je pokazal,

da so prehodi med stanji atomov odvisni od absorbcije, spontanega sevanja in

stimuliranega sevanja. Verjetnost stimuliranega sevanja je zanemarljiva glede na druga

dva procesa. Potem je bilo potrebno še 40 let potrpežljivega dela velikega števila

znanstvenikov, da so se osnovale teoretične in eksperimentalne osnove za ojačitev

sevanja s stimulirano emisijo. Glavni problem je bilo najti način, kako spremeniti

termično ravnovesje v nekem sistemu in zagotoviti, da bo atomov v stanju z višjo

energijo več kot atomov z nižjo energijo. To je namreč pogoj za stimulirano sevanje [7].

Rešitev so našli istočasno in neodvisno drug od drugega znanstveniki treh držav:

- v ZDA C. H. Townes leta 1953,

- v Kanadi J. Weber leta 1953 in

- v nekdanji Sovjetski zvezi N. G. Basov in A. M. Prohorov v letih 1954 in 1955.

Prva naprava, ki je izkoriščala stimulirano emisijo, je bila izdelana leta 1954. Izdelal jo

je Townes s sodelavcema Gordonom in Zeigerjem na univerzi Columbia v ZDA.

Townes je tej napravi dal ime MASER, kar je kratica za Microwave Amplification by

Stimulated Emission of Radiation. V prevodu to pomeni ojačitev mikrovalov s

stimuliranim sevanjem [7].

Znanstveniki pa niso bili zadovoljni. Iskali so razširitev delovanja maserja na vidni del

spektra. Na podlagi teoretičnih raziskav Basova in Prohorova na inštitutu Lebedjev v

Moskvi in Townesa v ZDA je Theodore Harold Maiman (slika 1b) leta 1960 izdelal

prvi rubinski laser, ki seva v vidnem delu spektra. Poimenoval ga je LASER. To so

začetnice za Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, kar pomeni

ojačitev svetlobe s stimuliranim sevanjem. Kot priznanje za pionirska dela na področju

laserja so C. H. Townes, N. G. Basov in A. M. Prohorov leta 1964 prejeli Nobelovo

nagrado za fiziko [7].

Že v letu 1961 so Javan, Benett in Herriott izdelali tudi prvi plinski laser, v katerem je

aktivna snov zmes helija in neona. Pri tej vrsti laserja se vzbujanje atomov izvaja z

5

visokofrekvenčnim električnim tokom. Leta 1962 so izdelali prvi polprevodniški laser,

pri katerem se vzbujanje atomov izvaja neposredno z električnim tokom. V letu 1963 se

pojavijo prvi kapljevinski laserji, leta 1966 pa je bil konstruiran prvi kapljevinski laser z

organskimi barvili [7]. Tako se je v zelo kratkem času z uporabo različnih snovi izdelalo

več sto tipov laserjev z valovnimi dolžinami od 0,3 µm do 300 µm. Vsak od teh laserjev

deluje na eni izmed valovnih dolžin, ki je odvisna od aktivne snovi v sami napravi.

a) b)

Slika 1. a) Albert Einstein, b) Theodore H. Maiman

To so bile prelomnice. Od takrat dalje gre razvoj dalje z vratolomno hitrostjo. Z

razvojem laserjev in iskanjem novih možnosti uporabe se je ukvarjalo veliko

znanstvenikov. Med temi velja omeniti še enega posebno zaslužnega. To je Arthur

Schawlow, sodelavec Townesa, ki je leta 1981 dobil Nobelovo nagrado za fiziko za

doprinos k razvoju laserske spektroskopije [7].

6

3 Dvojna narava svetlobe

Svetloba je fascinanten naravni pojav [7], ki je človeka vedno navduševala in ga

spodbujala k iskanju njenega bistva. Ni neobičajno, da je kot taka predstavljala obvezno

spremljavo božanstev.

Prvo znanstveno definicijo svetlobe je podal šele Isaac Newton leta 1672. Menil je, da

predstavljajo svetlobo materialni delčki, ki jih oddaja svetlobni izvor. To teorijo

imenujemo korpuskularna teorija svetlobe. Newtonova teorija je bila zelo dolgo

priznana za pravilno kljub temu, da je v istem času nizozemski fizik Christian

Huyghens objavil valovno teorijo svetlobe. V tej teoriji negira obstoj svetlobnih

delčkov, širjenje svetlobe pa razlaga z elastičnimi impulzi, ki se kot valovi širijo po etru.

Njegova teorija zahteva obstoj etra, kot nečesa, kar napolnjuje ves prostor vključno z

vakuumom.

Nobena od teh teorij pa ni mogla sama pojasniti vseh osnovnih optičnih pojavov: loma,

odboja, uklona, interference in polarizacije. Leta 1873 je angleški fizik J. C. Maxwell

objavil elektromagnetno teorijo svetlobe, ki je pojasnila vse do tedaj znane optične

pojave. Po tej teoriji je svetloba elektromagnetno valovanje z visokimi frekvencami.

Električno in magnetno polje nihata pravokotno na smer širjenja valovanja. Hitrost

razširjanja je 300 000 km/s. Hallwachs je leta 1888 odkril, da svetloba, ki pade na

površino kovine, iz nje izbije elektrone. Pojav imenujemo fotoefekt. Tega pojava pa se z

Maxwellovo teorijo ni dalo pojasniti.

Končno je leta 1900 Max Planck objavil kvantno teorijo svetlobe, v kateri je pokazal, da

se energija elektromagnetnih valov ne razširja kontinuirano, ampak v "paketih", ki jih

imenujemo kvanti. S tem je povezal valovno in delčno pojmovanje svetlobe. Svetleča

telesa oddajajo "drobne delce" (svetlobne kvante ali fotone) z energijo E, ki jo dobimo

iz zveze E = hν, kjer je h Planckova konstanta, ki znaša 6,62608·10-34 Js, ν pa frekvenca

svetlobnega valovanja.

Ker nekatere pojave lahko razložimo, če obravnavamo svetlobo kot valovanje, druge pa,

če obravnavamo svetlobo kot delce, pravimo, da ima svetloba dvojno naravo.

7

3.1 Svetloba kot valovanje

Za valovanje so značilni pojavi kot so lom, odboj, interferenca in uklon. Vse te pojave

bomo v nadaljevanju opisali.

3.1.1 Odboj in lom valovanja

Odboj je nenadna sprememba smeri širjenja valovanja na meji dveh različnih sredstev,

pri čemer valovanje spremeni smer tako, da se vrne v sredstvo, iz katerega je vpadlo na

mejo.

Za odboj velja odbojni zakon (slika 2). Vpadni kot α je enak odbojnemu kotu β, vpadni

žarek, vpadna pravokotnica in odbiti žarek ležijo v ravnini. Kadar je odbojna ploskev

hrapava, je odboj difuzen. V tem primeru vpadne pravokotnice v posameznih točkah

niso vzporedne. Vzporedni curek svetlobe, ki naleti na takšno površino, se razprši na

vse strani, pri čemer se posamezni žarki odbijajo po odbojnem zakonu. Kako gladka

mora biti ploskev, da se valovanje ne odbija difuzno? Valovanje ne čuti ovire, ki je

manjša od valovne dolžine [1].

Slika 2. Odbojni zakon; odbojni kot β je enak vpadnemu kotu α.

Lom je pojav, pri katerem se smer razširjanja valovanja pri prehodu skozi mejo dveh

snovi spremeni. Nastane zaradi tega, ker se valovanje v različnih snoveh širi z

različnimi hitrostmi. V snovi se elektromagnetno valovanje razširja s hitrostjo c, ki je za

faktor n nižja od hitrosti elektromagnetnega valovanja v vakuumu (c0):

n

cc 0= . (1)

Lomni količnik n je lastnost snovi.

vpadna pravokotnica

vpadni odbiti žarek žarek

α β

8

Valovanje se lomi po lomnem zakonu:

21

sinsin

cc

βα= , (2)

kjer je α vpadni kot, β lomni kot, c1 hitrost širjenja valovanja v prvi snovi in c2 hitrost

širjenja valovanja v drugi snovi (slika 3).

Če uporabimo zvezo (1) v lomnem zakonu (enačba (2)) dobimo zvezo: n1sinα = n2sinβ, (3) kjer sta n1 in n2 lomna količnika v prvi oziroma drugi snovi.

Za lom velja podobno kot za odboj: vpadni žarek, vpadna pravokotnica in lomljeni

žarek ležijo v isti ravnini. Vpadni in lomljeni žarek sta vedno na nasprotnih straneh

vpadne pravokotnice.

Slika 3. Lomni zakon; α je vpadni kot, β je lomni kot, n1 in n2 sta lomna količnika snovi.

Če podrobneje pogledamo lomni zakon (enačba (2) ali enačba (3)) vidimo, da se

svetloba pri prehodu v sredstvo, kjer je hitrost svetlobe manjša (optično gostejše

sredstvo, n1<n2) lomi k vpadni pravokotnici (slika 3a). Pri prehodu v sredstvo, kjer pa je

vpadni vpadna vpadni vpadna žarek pravokotnica žarek pravokotnica

α

β

α

β

n2>n1 n2<n1

lomljeni lomljeni žarek žarek

9

hitrost svetlobe manjša (optično redkejše sredstvo, n1>n2) pa se lomi stran od vpadne

pravokotnice (slika 3b).

Dodajmo še to: ko svetloba pade na ravno ploskev se je največkrat del odbije, del pa

absorbira in lomi. Delež odbite in lomljene svetlobe je odvisen od vpadnega kota,

valovne dolžine svetlobe in lomnih količnikov obeh snovi.

3.1.2 Koherentni in nekoherentni izvori svetlobe

Valovna teorija svetlobe pravi, da je svetloba valovanje. S to teorijo lahko pojasnimo

tudi interferenco in uklon. Če hočemo opazovati interferenčne pojave, moramo imeti

koherentne izvore. Koherenca je lastnost dveh ali več valovnih potez, med katerimi je v

poljubni točki prostora natanko določena in časovno nespremenljiva fazna povezava

(slika 4a). Svetloba, ki jo sevajo naravni viri, v splošnem ni koherentna (slika 4b). Deli

takih svetil (atomi, molekule,…) sevajo svetlobo, kot sevajo antene radijske valove.

Razlika je v tem, da traja sevanje "atoma kot antene" povprečno le okoli 10-8s.

Kratkotrajno sevanje, ki ga odda atom v enem izsevu, tvori valovno potezo. Valovne

poteze, ki jih izsevajo različni atomi ob istem času, imajo med seboj sicer določeno

časovno konstantno fazno povezavo, vendar traja ta le za čas izsevanja. Valovne poteze,

ki se izsevajo pozneje imajo v splošnem drugačno fazo. Zato je izsevano valovanje

nekoherentno [1].

(a) (b)

Slika 4. a) Koherentno in b) nekoherentno valovanje

3.1.3 Interferenca valovanja

Interferenca je pojav, pri katerem se sešteje več valovanj, ki imajo med seboj določene

fazne povezave.

Imejmo dve ravni valovanji, ki se v smeri x razširjata z isto frekvenco ν in valovno

dolžino λ in sta med seboj fazno premaknjeni:

10

),(sin

),(sin

2202

1101

ϕω

ϕω

+−=

+−=

c

xtAE

c

xtEE

(4)

kjer sta E10 in E20 amplitudi valovanja, φ1 in φ2 pa sta fazna premika. Valovanji lahko

predstavimo tudi s kazalčnim diagramom. Ob času t ima diagram obliko kot prikazuje

slika 5.

Slika 5. Kazalčni diagram s prikazom dveh valovanj z amplitudama E10 in E20 in

faznima premikoma φ1 in φ2

Valovanji sestavimo tako, da vektorsko seštejemo kazalce na sliki 5:

=+++= 2220110

2220110 )sinsin()coscos( ϕϕϕϕ EEEEE

=+++=

=+++=

)sinsincos(cos2

sinsin2coscos2

21212010220

210

212010212010220

210

ϕϕϕϕ

ϕϕϕϕ

EEEE

EEEEEE

)cos(2 212010220

210 ϕϕ −++= EEEE . (5)

Sestavljeno valovanje z amplitudo E (enačba (5)) je spet sinusno valovanje. Amplituda

E torej ni odvisna le od amplitud E10 in E20 posameznih valovanj ampak tudi od njune

fazne razlike φ2-φ1. Valovanji se najbolj ojačita, ko je φ2-φ1 = δ = n·2π, kjer je n = 0, 1,

2,… V tem primeru pride vrh prvega valovanja na vrh drugega valovanja in dolina

φ2 φ1

E10

A

E20

11

prvega valovanja na dolino drugega valovanja. Valovanji se najbolj oslabita, ko je fazna

razlika 2

3πδ ⋅= n , kjer je n = 0, 1, 2,… V tem primeru pride vrh prvega valovanja na

dolino drugega valovanja, dolina drugega valovanja pa na vrh prvega valovanja.

Nazoren prikaz je na sliki 6, ki predstavlja Youngov interferenčni poskus – interferenco

na dveh režah [1]. Curek svetlobe z valovno dolžino λ pada pravokotno na oviro, v

kateri sta dve ozki reži v razmiku d. Na režah se svetloba ukloni in delni curki z obeh

rež interferirajo. Interferenčno sliko opazujemo na zelo oddaljenem zaslonu. Opazimo

temne in svetle proge. Iz slike lahko ugotovimo povezavo:

αsin12 dss =− . (6)

Slika 6. Youngov interferenčni poskus Zveza velja, ko je oddaljenost zaslona od ovire veliko večja od razdalje med režama. Na

zaslonu se bodo pojavili interferenčni vrhovi, kadar bo razlika poti s2 – s1 znašala

večkratnik valovne dolžine:

λα Nd =sin , (7)

kjer je N celo število. Interferenčne doline pa dobimo, ko je razlika poti s2 – s1

polovični večkratnik valovne dolžine:

P

α d

s1

s2

ravno ovira z oddaljen valovanje dvema režama zaslon

12

2

sinλ

α ⋅= Nd , (8)

kjer je N liho celo število.

3.1.4 Uklon valovanja

Uklon je pojav, pri katerem se smer razširjanja valovanja odmakne od smeri ravnih

žarkov pri prehodu čez oviro.

Pojav razložimo s Huygensovim načelom. Po tem načelu je lahko vsaka točka na

valovni fronti vir novega elementarnega valovanja (slika 7).

Slika 7. Huygensovo načelo; vsako točko na valovni fronti obravnavamo kot izhodišče

novega elementarnega valovanja.

V splošnem se novi valovi seštejejo tako, da je valovno čelo ob nekem kasnejšem času

po obliki enako prvotnemu valovnemu čelu. Na robu ovire pa osnovni val na eni strani

nima soseda, s katerim bi se seštel, zato se širi v prostor za oviro. Uklon svetlobe

najlažje razložimo, če pogledamo kaj se dogaja pri pravokotnem vpadu svetlobe na

ozko režo (slika 8). Na zaslonu za režo opazimo uklonsko sliko. Zaslon mora biti toliko

oddaljen, da so elementarni žarki, ki padajo na isto mesto praktično vzporedni. Takšne

vrste uklon pa dobimo tudi, če takoj za režo postavimo lečo, ki pošlje v točko P na

zaslonu le tiste elementarne žarke, ki so med seboj vzporedni. Sliko sestavljajo svetle in

temne proge. Svetle proge so uklonski maksimumi, temne proge uklonski

minimumi [9].

c∆t

t+∆t

t

13

Opazujemo oba ozka curka svetlobe, od katerih eden odhaja z gornjega roba reže, drugi

pa iz sredine reže. Oba curka odpotujeta z isto fazo, toda gornji mora do točke P na

zaslonu opraviti glede na spodnjega dodatno pot:

αsin2

Ds =∆ , (9)

kjer je D širina reže. Za točko O na zaslonu med obema curkoma ni nobene razlike poti,

pa tudi vsi drugi curki z reže prihajajo v to točko z isto fazo. Zato se na simetrali

oziroma v točki O pojavi vselej osrednja svetla proga. Če se točka P oddaljuje od točke

O gor ali dol, potem se kot α veča, veča pa se tudi razlika poti obeh curkov. Kadar je

razlika poti obeh curkov enaka λ/2, se curka uničita. Prav tako pa se uniči tudi par

curkov, od katerih je eden tik pod curkom z zgornjega roba reže, drugi pa tik pod

curkom, ki izhaja iz sredine reže. Podobno se uničijo tudi vsi naslednji pari, tako da

lahko trdimo, da se ves vzporedni curek medsebojno uniči v točki P, kjer zato nastane

oslabitev. Za oslabitev velja torej:

2

sin2

λα =

D , (10)

kjer je α kot, pod katerim "vidimo" oslabitev iz sredine ozke reže [1].

Slika 8. Uklon na reži

O P

D

∆s

α

goriščna razdalja leče

α

14

Če v mislih razdelimo režo na ...6

,4

DD, pridemo s podobnim sklepanjem do enačb:

,2

sin6

,2

sin4

λα

λα ==

DD itd. (11)

Smeri, v katerih je svetlobni tok enak nič, so torej določene s pogojem:

D

Nλ

α =sin , (12)

kjer je N celo število. Vmes med uklonskimi minimumi se pojavijo uklonski

maksimumi (slika 9a).

Ko opazujemo dogajanje pri prehodu koherentne svetlobe skozi dve reži vidimo

istočasno kombinacijo uklona in interference (slika 9b). Kombinacijo uklona in

interference lahko opazujemo tudi pri uklonski mrežici. To je mrežica, ki je sestavljena

iz velikega števila enako oddaljenih rež ali odprtin, npr. nekaj 100 ali 1000 zarez na

milimeter.

a) b)

Slika 9. Uklon in interferenca; a) uklon na ozki reži, b) kombinacija uklona in

interference na dveh režah s tremi laserji, ki imajo različne valovne dolžine [17].

3.2 Kvantna teorija svetlobe

Rekli smo že, da ima svetloba dvojno naravo. Do sedaj smo si ogledali teorijo o svetlobi

kot valovanju. Nadaljevali bomo s kvantno teorijo svetlobe.

15

3.2.1 Prehodi s sevanjem

Svetloba se po kvantni teoriji razširja v obliki svetlobnih paketov - kvantov, ki jih

imenujemo fotoni. Fotoni so "delci" brez mase in z energijo E = hν, kjer je ν frekvenca

elektromagnetnega valovanja, h pa Planckova konstanta.

Atomi ne morejo sprejemati poljubne energije, temveč le energijo točno določenih

vrednosti. To je približno tako kot pri lestvi [9]. Vzpenjamo se lahko le po določenih

prečkah, vmes pa ni možno stopiti. Atomi so običajno v stanju z najnižjo energijo. To

stanje imenujemo osnovno stanje. Pri lestvi bi to ustrezalo tlom, na katerih stojimo. Z

dovajanjem energije preide atom v stanje z višjo energijo. Temu stanju rečemo

vzbujeno stanje. Vzpenja se po lestvi. Do vzbuditve lahko pride na različne načine npr.

pri trkih z drugimi atomi ali z absorbcijo svetlobe. Vpadla svetloba se pri tem oslabi

(slika 10a). Atom običajno ne ostane dolgo v vzbujenem stanju. V času, ki je tipično

nekaj nanosekund, preide ponovno v osnovno stanje, pade po lestvi. Pri tem izseva

energijo v obliki svetlobnega kvanta z enako energijo, kot je energija vzbuditve.

Govorimo o spontani emisiji (slika 10b). Razen tega lahko atom tudi z zunanjo svetlobo

prisilimo, da preide iz vzbujenega stanja v osnovno stanje in pri tem izseva svetlobo. Če

ima vpadli svetlobni kvant enako energijo, kot je razlika med vzbujenim in osnovnim

stanjem, potem izseva vzbujeni atom svojo energijo prav tako v obliki svetlobnega

a) b) c) Slika 10. Prehodi med stanji atomov; a) absorbcija, b) spontana in c) stimulirana emisija

(povzeto po [9]).

kvanta. Tako dobimo na koncu dva kvanta z enako energijo. Vpadli svetlobni kvant

porine atom s prečke na lestvi. Emisija se ne zgodi po naključju, temveč jo vzbudi

E1

E2

absorbcija spontana stimulirana emisija emisija

energija

16

vpadli svetlobni kvant. V tem primeru govorimo o stimulirani ali inducirani emisiji

(slika 10c) [9].

3.2.3 Einsteinova zveza

Kot smo že omenili, je bil prvi, ki je vpeljal pojem stimulirane emisije, Albert Einstein.

Proučeval je pojave absorbcije, spontane in stimulirane emisije. Predvsem ga je

zanimalo, kako ti pojavi potekajo v množici enakih atomov, ki so v ravnovesju z

okolico pri dani temperaturi.

Atomi naj imajo dve možni energijski stanji [3, 8]. Lastna energija stanja z višjo

energijo naj bo E2, lastna energija osnovnega stanja pa E1. Število atomov v osnovnem

stanju naj bo N1, v vzbujenem pa N2. V času dt preide N2Adt atomov s spontanim

sevanjem iz vzbujenega stanja v osnovno stanje. Atomi prehajajo sami od sebe, ne da bi

nanje vplivalo sevanje. Koeficient A predstavlja verjetnost za prehod na časovno enoto.

Podan je s τ-1, kjer je τ življenjska doba vzbujenega stanja. V enakem času preide

N1Buν(ν)dt atomov z absorbcijo iz osnovnega stanja v vzbujeno. Izraz Buν(ν) predstavlja

verjetnost za absorbcijo na časovno enoto. Ta verjetnost je sorazmerna z deležem

gostote energije v valovanju na frekvenčni interval, se pravi s spektralno gostoto pri

frekvenci prehoda ν. Frekvenca ν je podana z razliko energij med osnovnim in

vzbujenim stanjem E2 – E1 tako da velja:

E2 – E1 = hν. (13)

Prav tako preide v času dt s stimulirano emisijo iz vzbujenega stanja v osnovno

N2Cuν(ν)dt atomov. Tudi verjetnost za ta prehod je odvisna od spektralne gostote pri

frekvenci prehoda ν. V ravnovesju mora biti število atomov, ki preidejo s spontanim in

stimuliranim sevanjem iz vzbujenega stanja v osnovno, enako številu atomov, ki v

enakem času preidejo z absorbcijo iz osnovnega stanja v vzbujeno:

N2Adt + N2Cuν(ν)dt = N1Buν(ν)dt . (14)

Iz tega pogoja dobimo zvezo:

N1Buν(ν) = N2(A + Cuν(ν)). (15)

17

oziroma

)(

)(

1

2

ν

ν

ν

ν

CuA

Bu

N

N

+= . (16)

Če za atome upoštevamo Bolzmanovo statistiko [3]:

kT

h

eN

Nν

−

=1

2 , (17)

iz enačbe (15) sledi:

))(()( νν ν

ν

ν CuAeBu kT

h

+=−

. (18)

Uporabimo še Planckov zakon [3] za sevanje črnega telesa:

1

18)(

3

3

−

⋅=kT

h

ec

hu

νν

νπν . (19)

S primerjavo izrazov (18) in (19) dobimo:

CBe

Au

kT

h

−

=νν ν )( . (20)

Zveza (20) mora veljati pri vsaki temperaturi, zato je B = C. To pomeni da imata

stimulirana emisija in absorbcija enak koeficient. Če to enakost uporabimo v enačbi

(20) nato dobljeni izraz primerjamo z enačbo (19), dobimo za količnik A/B izraz:

3

38

c

h

B

A νπ= . (21)

Glede na vrednost dobljenega količnika (21) lahko vidimo, da je v ravnovesju mnogo

več atomov v stanju z nižjo energijo, kot v stanju z višjo energijo (N1»N2). Stimulirano

sevanje lahko nad absorbcijo prevlada le, če je atomov v višjem stanju več kot atomov v

nižjem stanju (N2>N1). To stanje seveda ni ravnovesno [8].

18

3.2.4 Invertirana zasedenost

Kadar ustrezni svetlobni kvant sproži v atomu stimulirano emisijo, ima dodatni kvant,

ki nastane, natančno enako fazo, kot kvant svetlobe, ki je emisijo sprožil [9]. Nadaljnje

stimulirano sevanje ima podobo verižne reakcije, ki privede do močne ojačitve. Ojačitvi

svetlobe pod vplivom stimulirane emisije nasprotuje oslabitev zaradi absorbcije. Da bo

stimulirana emisija prevladala nad absorbcijo, moramo torej doseči, da bo število

atomov v vzbujenem stanju večje kot število tistih v osnovnem stanju. Tako stanje

imenujemo stanje invertirane zasedenosti, postopek doseganja invertirane zasedenosti

pa optično črpanje. Atome spravimo do zaželene stopnje vzbuditve po ovinku preko

druge ali celo tretje vzbuditve. Primer sheme energijskih nivojev pri tem udeleženih

atomov je prikazan na sliki 11.

a) b)

Slika 11. Doseganje invertirane zasedenosti; a) vzbuditev atomov v stanje z energijo E3,

b) kopičenje atomov v stanju z energijo E2 – invertirana zasedenost glede na osnovno

stanje (povzeto po [9]).

Z obsevanjem s svetlobo ali s trki preidejo atomi iz osnovnega stanja z energijo E1 v

stanje z energijo E3. Zaradi spontane emisije je v vzbujenem stanju bistveno manj

atomov kot v osnovnem stanju. S trki ali tudi z izsevanjem svetlobnih kvantov preide

del vzbujenih atomov v stanje z energijo E2. Če je to stanje metastabilno (prehod v

osnovno stanje poteka nekaj sto tisoč krat počasneje kot prehod iz stanja z energijo E3 v

osnovno) se kopiči število atomov na tem energijskem nivoju. To končno privede do

invertirane zasedenosti glede na osnovno stanje.

E1

E2

E3

energija

nestabilno

19

4 Laser Po vseh fizikalnih osnovah smo sedaj pripravljeni, da vse zapisano združimo in opišemo

delovanje laserja, posebne lastnosti laserske svetlobe in vrste laserjev.

4.1 Delovanje in deli laserja

Za nastanek laserske svetlobe je potrebno doseči invertirano zasedenost, stimulirano

emisijo in ojačitev valovanja. Zato vsak laser sestavljajo trije osnovni elementi:

sredstvo, v katerem dosežemo invertirano zasedenost, sistem za vzbujanje invertirane

zasedenosti in resonančna votlina za ojačitev valovanja.

Aktivno sredstvo lahko predstavljajo različne snovi: plini, kapljevine v obliki organskih

barvil, trdne snovi, polprevodniki itd. Glede na snov aktivnega medija jih tudi

poimenujemo.

Sredica je cev napolnjena s plinom ali kapljevino ali pa trdna snov. Poleg tega poznamo

še laserje, kjer 'cev' predstavlja sloj polprevodnika, ki ga obdamo s primernimi snovmi.

V sredici moramo atome vzbuditi v stanje z višjo energijo oziroma v vzbujeno stanje.

To mora zagotoviti sistem za vzbujanje. Število atomov v vzbujenem stanju mora biti

večje od števila atomov v osnovnem stanju. Emisija svetlobe poteka najprej spontano z

različnimi valovnimi dolžinami in v vseh smereh. Različni valovi se seštevajo. Ker pa

sta na obeh koncih cevi zrcali, se seštejejo z znatno amplitudo le tisti valovi, ki tvorijo

stoječe valovanje. Stoječe valovanje izzove stimulirano emisijo in se s tem ojači [3].

Prostor, kjer se to dogaja, je resonančna votlina. Skozi polprepustno zrcalo izhaja iz

cevi del laserske svetlobe za nadaljnjo uporabo. Ustrezno valovno dolžino stoječega

valovanja, ki zagotavlja stimulirano emisijo, zagotovimo z ustrezno razdaljo l med

zrcaloma. Ta razdalja mora biti večkratnik polovične valovne dolžine:

ν

λ 0

2

1 ncnl =⋅= . (22)

Proces prikazuje slika 12.

20

a)

b)

c)

Slika 12. Nastanek laserske svetlobe; a) z vzbujanjem dosežemo invertirano zasedenost

atomov v sredstvu in stimulirano emisijo, b) ojačitev valovanja v resonančni

votlini, c) izhod laserskega curka skozi polprepustno zrcalo [5].

Sistem za vzbujanje oziroma napajalna naprava mora zagotoviti dovolj in primerno

energijo, ki bo zagotavljala vzbujanje in invertirano zasedenost. Napajalna naprava je

največkrat: bliskavica z inertnimi plini, zunanji izvir močnega električnega toka ali

drugi laser. Izbira sistema oziroma napajalne naprave je odvisna od aktivne snovi. Tako

je pri trdninskih laserjih najbolj primerni način optično črpanje z bliskavico. Pri

rubinskem laserju se na primer vzbujanje izvede preko bliskavice, ki je v spiralo navita

cevka napolnjena s ksenonom, skozi katero izpraznimo nabito kondenzatorsko baterijo.

Pri plinskih in polprevodniških laserjih izvedemo vzbujanje z močnim električnim

tokom iz zunanjega izvira, ki teče skozi plinsko mešanico oziroma v prepustni smeri

skozi polprevodnik. Laserje z organskimi barvili pa lahko vzbujamo na dva načina: z

bliskavico ali pa z drugimi impulznimi laserji. Pri vzbujanju z bliskavicami moramo

zagotoviti tudi hlajenje, ki se največkrat izvede kar z obtokom vode [3]. Omenimo še,

da pri kemijskih laserjih za vzbujanje izkoriščamo energijo kemijskih reakcij, pri

plinsko – dinamičnih laserjih pa se vzbujanje in invertirana zasedenost doseže z

adiabatnim razpenjanjem plina.

21

Izhodni laserski curek je odvisen od oblike vgrajenih zrcal, ki so lahko ravna ali pa

krogelna. Na kvaliteto posamezne resonančne cevi vpliva tudi koeficient odbojnosti

vgrajenih zrcal. Velikokrat večjo odbojnost dosežejo tako, da zrcala sestavijo iz več

plasti različnih materialov. Primerna kombinacija posameznih plasti lahko zagotovi

odbojnost tudi do 99,95%. Lastnosti izhodnega laserskega curka lahko določamo tudi z

obliko resonančne cevi oziroma obliko obdelave kristala. Zrcala so postavljena

pravokotno na os cevi. Cev pa je lahko zaprta s pokrovi [3], ki so postavljeni pod

Brewsterjevim kotom, da odstranimo nezaželeni odboj polarizirane svetlobe. Prav tako

je pod Brewsterjevim kotom odrezan konec trdne aktivne snovi. V tem primeru se

zrcala nahajajo izven cevi oziroma zunaj trdne snovi, ki predstavlja aktivno snov.

Izhodni žarek pri takih izvedbah je polariziran.

4.2 Lastnosti laserske svetlobe

Laserska svetloba se od ostale svetlobe razlikuje po naslednjih lastnostih:

- koherentnost,

- majhen divergenčni kot,

- monokromatičnost,

- velika gostota energije.

O koherentnosti laserske svetlobe smo pisali že v poglavju 3.1.2. Zato na tem mestu

samo še enkrat dodajmo, da pomeni koherentnost laserske svetlobe, da imajo vsi žarki v

curku enako fazo in enako smer razširjanja. To je zelo pomembno, ker omogoča

konstruktivno interferenco valovanj in posledično veliko moč. Monokromatičnost ali

enobarvnost laserske svetlobe pomeni, da imajo vsi žarki v izhodnem curku enako

valovno dolžino. Laserski curek odlikuje tudi zelo majhen divergenčni kot. V praksi

navedene lastnosti niso popolnoma zagotovljene. Divergenčni kot izhodnega curka

znaša približno 1 mrad. To pomeni, da se ozek curek, ki ga proizvaja laser, na razdalji

1 km razširi na 1 m. Divergenčni kot se manjša z večanjem premera aktivne snovi. Z

večanjem premera aktivne snovi pa se zaradi uklona zmanjšuje stopnja koherentnosti in

monokromatičnosti. Da bi se idealnim lastnostim čim bolj približali z raznimi

tehnološkimi rešitvami laserje stalno izpopolnjujejo.

22

Laserski žarki se redko uporabljajo v obliki, ki jo dobimo iz same laserske naprave.

Pogosto z lečami laserski curek fokusiramo in tako dosežemo zelo velike gostote

energije. Zbiranje na zelo majhen volumen omogočajo monokromatičnost, koherentnost

in majhen divergenčni kot izhodnega laserskega curka. Volumen fokusiranega curka je

reda velikosti tretje potence valovne dolžine uporabljenega laserja. Na sliki 13 je

prikazana razlika med fokusiranjem laserske svetlobe in navadne svetlobe. Glavni

problem pri navadni svetlobi je velika divergenca žarkov (slika 13a). Celo pri dokaj

vzporednem curku navadne svetlobe pa se zgodi, da nam fokusiranje povzroča

probleme zaradi različnih valovnih dolžin, ki curek navadne svetlobe sestavljajo (slika

13b). Srečamo se s kromatično aberacijo. Kromatična aberacija je napaka leč [9]. Lomni

količnik snovi, iz katere je leča, je odvisen od valovne dolžine svetlobe. Kratkovalovna

svetloba (vijolična) se močneje lomi kot dolgovalovna (rdeča). Zaradi tega je goriščna

razdalja leče za posamezne barve različna. Posledica tega je, da se curek bele svetlobe

po prehodu skozi lečo ne zbere v eni točki, temveč v več zaporednih točkah različnih

barv. Pri laserski svetlobi, ki je monokromatična, pa teh problemov ni (slika13c).

a)

b)

c)

Slika 13. a) in b) Fokusiranje navadne svetlobe in c) laserske svetlobe

Gostota energije je najpomembnejša lastnost laserske svetlobe, saj je večina primerov

uporabe laserja odvisna prav od visoke gostote energije. Z naraščanjem gostote energije

raste tudi temperatura predmeta, na katerem fokusiramo laserski curek. Pri gostoti

f

fv

fz

fr

f

23

energije reda velikosti MW/cm2 znaša temperatura na površini predmeta, na katerega je

fokusiran laserski curek, nekaj tisoč kelvinov.

4.3 Vrste laserjev

Laserjev je veliko vrst. V nadaljevanju bomo opisali predstavnike plinskih, trdninskih in

polprevodniških laserjev. Vsi ostali laserji delujejo po podobnih principih.

4.3.1 Helij-neonski laser

Helij-neonski laser [3, 8] je predstavnik plinskih laserjev. Shematski plinskega laserja je

predstavljena na sliki 14. Aktivna snov je mešanica neona in helija. Laserski sistem

predstavlja cev dolžine 35 cm in premera 2 mm. Iz cevi najprej izčrpajo zrak, nato pa jo

napolnijo z mešanico helija in neona. Navadno je sedem- do desetkrat več neona kot

helija. Skozi mešanico teče električni tok, ki je največkrat enosmeren. Elektrodi sta

priključeni na vir napetosti okrog 4000 V. Zrcala so nameščena izven cevi pravokotno

na njeno os. Svetloba se odbija na več slojnem dielektričnem filmu, ki je naparjen na

polirano podlogo zrcala. Z vrsto in debelino naparjenega materiala izbiramo valovno

dolžino, na kateri bo deloval laser.

Laserski prehodi potekajo med energijskimi nivoji v neonu, helij služi za vzbujanje

neonovih atomov in doseganje invertirane zasedenosti. Električni tok pospeši elektrone,

ki s trki povzročijo, da preidejo nekateri atomi helija iz osnovnega stanja v vzbujeno

stanje z energijo okoli 20 eV. To je metastabilno stanje in prehod iz tega stanja v

osnovno stanje s sevanjem je skrajno neverjeten. Vendar pa atom helija odda ob trku

energijo atomu neona, ki preide iz osnovnega stanja v vzbujeno stanje z energijo okoli

20 eV. Pri takih trkih je mnogo manj verjeten prehod atomov neona v stanje z energijo

18 eV. Atomi neona, ki pa se vendar vzbudijo v to stanje, z veliko verjetnostjo spontano

sevajo in preidejo v nižje vzbujeno stanje ali v osnovno stanje. Tako dosežemo

invertirano zasedenost, pri čemer je atomov neona mnogo več v vzbujenem stanju z

energijo okoli 20 eV, kot v vzbujenem stanju z energijo okoli 18 eV. Na začetku kak

atom neona spontano seva in preide iz vzbujenega stanja z energijo okoli 20 eV v

vzbujeno stanje z energijo okoli 18 eV. Valovanje potuje po plinu in povzroča

stimulirano sevanje drugih vzbujenih neonovih atomov. Cev s plinsko mešanico je med

zrcaloma. Valovanje s pravo smerjo se odbija na zrcalih in se ojačuje. V plinski

24

mešanici se neonovi atomi neprestano vzbujajo in stimulirano sevajo. Laser seva

neprekinjen curek svetlobe, zato spada med kontinuirane laserje.

Največkrat uporabljamo prehod s stimuliranim sevanjem, ki daje curek svetlobe z

valovno dolžino 632,8 nm. Med ostalimi 130 možnimi laserskimi prehodi sta poleg

omenjenega najmočnejša izhodna curka, ki imata valovni dolžini 1150 nm in 3390 nm.

Slika 14. Shema plinskega laserja; 1 – neprepustno zrcalo, 2 – katoda, 3 – anoda, 4 –

delno prepustno zrcalo, 5 – vir napetosti, 6 – pokrovi pod Brewsterjevim kotom, 7 – cev

s plinom, 8 – curek laserske svetlobe.

4.3.2 Rubinski laser

Rubinski laser [3, 8] je predstavnik trdninskih laserjev. Je prvi odkriti laser, ki ga je leta

1960 konstruiral T. H. Maiman. Aktivna snov v tem laserju je kristal rubina. To je

aluminijev oksid Al2O3 s primesjo kromovega oksida Cr2O3. Optimalna koncentracija je

0,05% kroma. Iz kristala izrežemo valjasto paličico s premerom od 0,5 do 2 cm in

dolžino od 5 do 30 cm. Rubinsko paličico obdaja v vijačnico navita cevka s ksenonom,

skozi katero izpraznimo nabito kondenzatorsko baterijo. S tem se plin segreje na več kot

3000 K, kar nam zagotavlja sevanje fotonov valovnih dolžin potrebnih za vzbujanje

atomov. Prehodi se dogajajo med elektronskimi nivoji kromovih atomov, ki se vgradijo

v kristal in zamenjajo aluminijeve atome. Spekter energijskih nivojev Cr3+ v kristalu

rubina je prikazan na sliki 15. Zelena in vijolična svetloba, ki ju kristal močno

absorbira, vzbudita elektrone v kromovih ionih z osnovnega nivoja na nivo v prvem ali

drugem energijskem pasu. Elektroni na teh nivojih se gibljejo po kristalu in oddajajo

energijo pri trkih kristalni mreži. Naposled se ujamejo na oster vzbujeni nivo pri

katerem od kromovih ionov. To je metastabilno stanje s trajanjem vzbuditve reda 10-3 s.

Ker se optično črpanje nadaljuje, se doseže invertirana zasedenost.

1 2 3 4

plin

5

6 7 6 8

25

Denimo, da je invertirana zasedenost dosežena. Pri nekem kromovem ionu preide

elektron s spontanim sevanjem z vzbujenega nivoja na osnovni nivo. To valovanje

potuje po kristalu in povzroča prehode s stimuliranim sevanjem elektronov pri drugih

kromovih ionih. Valovanje v kristalu se ojačuje in odbija na osnovnih ploskvah. Na eni

strani je osnovna ploskev natančno zbrušena in prevlečena s kovinsko prevleko, ki

vpadlo valovanje popolnoma odbija. Druga osnovna ploskev je obdelana tako, da del

valovanja prepusti. Prepuščeni del valovanja je laserski curek rdeče svetlobe z valovno

dolžino 694,3 nm (po absorbciji zelene svetlobe) ali 692, 2 nm (po absorbciji vijolične

svetlobe). Na sobni temperaturi prevlada curek svetlobe z valovno dolžino 694,3 nm. Če

želimo doseči valovno dolžino 692,8 nm moramo na obeh straneh namestiti posebna

zrcala, ki imajo veliko odbojnost za to valovno dolžino.

Slika 15. Spekter energijskih nivojev kromovih ionov v kristalu rubina; 1a, 1b – prehod

elektrona iz osnovnega nivoja na širok energijski pas ob absorbciji zelene ali vijolične

svetlobe; 2a, 2b – prehod elektrona brez sevanja na oster nivo primesi; 3a, 3b - prehod

elektrona ob stimuliranem sevanju na osnovni nivo.

Svetlobni impulz, ki ga dobimo iz rubina traja okrog 10-6 s in ima energijo okrog 10-2 J.

Moč takega impulza znaša okrog 10 kW. S posebnimi dodatnimi tehnikami lahko

dosežemo, da se trajanje impulza zmanjša na 10-8 s, moč pa poveča na 10 MW.

Rubinski laser je impulzni laser - lasersko svetlobo oddaja vedno v sunkih.

W

1a 1b 3a 3b

2a 2b

26

4.3.3 Polprevodniški laser

Polprevodniški laser [8] je dioda iz spojine elementa iz skupine IIIb periodnega sistema

elementov z elementom iz skupine Vb. Takšne spojine so na primer: galijev arzenid,

galijev fosfid, indijev arzenid, indijev fosfid itd. Najpogosteje uporabljen laser je laser z

aktivnim medijem iz galijevega arzenida GaAs, ki ga bomo tudi opisali. Na kovinskem

nosilcu je kristal GaAs, ki mu je bil v talini dodan donor (na primer štirivalentni telur).

Na površini dodajo kristalu akceptor (na primer dvovalentni cink), da nastane tam tanko

območje p. Invertirano zasedenost dosežemo z izdatnim dovajanjem elektronov in vrzeli

v zaporno plast. To izvedemo z močnim električnim tokom, ki ga poganja zunanji izvir

v prepustni smeri. Elektroni, ki pritekajo, preidejo v plasti z višjih nivojev prevodnega

pasu na njegovo dno, ko oddajo energijo kristalni mreži. Dno prevodnega pasu je

zasedeno, medtem, ko so akceptorski nivoji nad vrhom valenčnega pasu dokaj

nezasedeni. Valovanje, ki nastane pri spontanem prehodu, se odbija od zbrušenih

vzporednih ploskev. Hkrati pa se ojačuje, ko stimulirano sevanje proži prehod

elektronov z dna prevodnega pasu na akceptorski nivo. Prednja in zadnja stran kristala

sta zbrušeni in vzporedni. Delujeta kot vzporedni zrcali. Posebne odbojne plasti niso

potrebne, ker je lomni količnik polprevodnika tolikšen, da se na meji z zrakom skoraj

vsa svetloba odbije. Stranski ploskvi pa sta neobdelani in nista vzporedni.

Zaporna plast je kak milimeter debela. Toliko merijo tudi robovi kristala. Velikost

osnovne ploskve zaporne plasti pa je le kakšno stotinko kvadratnega milimetra. Gostota

električnega toka je tolikšna, da laser lahko deluje le v sunkih, pa še takrat ga je treba

ohladiti do temperature tekočega zraka.

Iz okolice zaporne plasti izhaja skozi zbrušeni ploskvi curek koherentne svetlobe

(slika16). S koncentracijo primesi je mogoče vplivati na valovno dolžino izsevanega

Slika 16. Polprevodniški laser [16]

27

curka svetlobe. Pri laserjih, kjer je aktivna snov GaAs, so dosegljive valovne dolžine

med 650 nm in 840 nm. Drugi polprevodniški laserji delujejo pri drugih valovnih

dolžinah.

28

5 Uporaba laserja

Do sedaj smo si ogledali fizikalne osnove in vrste laserjev. Kot smo videli, ima laserska

svetloba nekaj lastnosti, po katerih se razlikuje od drugih vrst svetlobe. Laserska

svetloba je koherentna, monokromatična, odlikuje pa jo tudi majhen divergenčni kot in

zato možnost fokusiranja na zelo mali volumen. Pomembna je tudi valovna dolžina

laserskega curka, ki je odvisna predvsem od vrste laserja. Uporaba laserja temelji na teh

lastnostih.

Rečemo lahko, da skoraj ni področja, kjer se laser ne bi uporabljal. Na tem mestu pa je

naš namen samo globalno prikazati, kako ga uporabljamo v tehniki in medicini, saj so

principi uporabe podobni na vseh področjih.

5.1 Uporaba laserja v tehniki

Možnost, da lahko lasersko svetlobo zberemo na zelo mali površini in tako dobimo

velike gostote energije, uporabljamo največkrat pri obdelavi materialov – rezanju,

vrtanju, varjenju, čiščenju površin itd. Pomembno področje uporabe je tudi merilna

tehnika. Metode, uporabljene pri meritvah z laserji temeljijo na merjenju interference,

uklona, odboja, Dopplerjevega pojava itd. V nadaljevanju bomo podrobneje pogledali

lasersko obdelavo materialov in nekaj primerov merilnih laserjev.

5.1.1 Laserska obdelava materialov in njene prednosti

Uporaba laserja pri obdelavi materialov ima kar nekaj prednosti pred uporabo ostalih

tehnik:

- obdelava se izvaja brez stika z obdelovanim materialom,

- ni obrabe orodja,

- obdelava je hitra,

- proces se lahko avtomatizira,

- material se segreva le lokalno,

- količine odpadkov so minimalne,

- roke operaterja ne sodelujejo neposredno v procesu,

- mogoča je obdelava tudi na težko dostopnih mestih,

- niso potrebni posebni pogoji dela.

29

Proces obdelave materiala z lasersko svetlobo poteka v štirih fazah:

- absorbcija sevanja in segrevanje materiala,

- taljenje materiala,

- izparevanje materiala in

- hlajenje.

Vse faze se izvedejo pri vsaki vrsti obdelave, razlikujejo se le v nekaterih posebnostih,

ki so odvisne od same vrste obdelave materiala. Splošen shematski prikaz katerekoli

obdelave je prikazan na sliki 17.

Slika 17. Shema obdelave materiala; 1 – laser, 2 – napajanje laserja, 3 – hlajenje laserja,

4 – vodenje curka, 5 – delovna miza, 6 – objekt obdelave in 7 – upravljanje sistema [3].

Laserska tehnika omogoča vrtanje v najrazličnejše materiale [10]. Najbolj učinkovito je

vrtanje trdih materialov. Vrtamo lahko odprtine, ki potekajo skozi material ali pa samo

do določene globine. Proces izdelave odprtine poteka s taljenjem in izparevanjem

materiala. Odprtina se v globino povečuje predvsem zaradi izparevanja, premer pa raste

zaradi taljenja zidov in delovanja pritiska pare obdelovanega materiala.

Z laserjem učinkovito režemo različne materiale [10]. Najpomembnejše prednosti

rezanja z laserjem so: veliko natančnost reza, ni opilkov, robovi so vzporedni in gladki.

Reakcija, na kateri temelji rezanje z laserjem, je lahko kemična ali fizikalna. Kemična

reakcija poteka z gorenjem materiala. Fizikalna reakcija poteka s taljenjem in

izparevanjem kovine, ki jo nastali kovinski oksid odnaša iz področja rezanja.

3 1 2 7

6 5

4

30

Pred ostalimi oblikami varjenja ima lasersko varjenje prednost predvsem zaradi visoke

gostote energije na majhni površini [10]. Tako dobimo lokalno segretje in se s tem

izognemo poškodbam morebitnih občutljivih delov v okolici zvara. Pri mnogih procesih

je pomembno, da je material po varjenju čim manj onesnažen s primesmi. Z laserjem ne

pridemo v kontakt z varjenim materialom, ki tako ostane čist. Varjenje z laserjem je tudi

zelo hitro in ima velike izkoristke.

Laserje uporabljamo tudi za obdelavo površin [10]. Največkrat ga uporabljamo za

utrjevanje površin jekel, ustvarjanje zlitin ali mešanic materialov in glajenje

nepravilnosti. Vsi navedeni postopki potekajo ob močnem segretju ali pa celo stalitvi

površine, ki jo nato hitro ohladimo (utrjevanje), ji vbrizgamo paro kakšne primesi

(ustvarjanje zlitin) ali pa jo samo zgladimo. Pri glajenju lahko odpravimo zareze in

izbokline, ki so globoke oziroma visoke do nekaj µm.

5.1.2 Merilni laserji

Merilne laserje uporabljamo za merjenje razdalj, hitrosti, določanje velikosti in lokacije

majhnih delcev primesi v homogenih materialih itd. Za merjenje premikov najpogosteje

uporabljamo Michelsonov interferometer, ki je prikazan na sliki 18 [10]. Laserski curek

s polprepustnim zrcalom ločimo na referenčni in merilni curek. Referenčni curek

pošljemo na pritrjeno zrcalo, merilni curek pa na premikajoči se objekt. Optična pot

merilnega curka se pod vplivom zunanjih dejavnikov spreminja. Odbita curka

združimo, tako da interferirata. Na zaslonu dobimo interferenčne kolobarje. Število

kolobarjev je odvisno od razlike optičnih poti obeh curkov. Večja kot je razlika, bolj

gosti so kolobarji. Merilni curek prepotuje razdaljo d, za katero se premakne pomično

zrcalo dvakrat, zato velja:

2d = Nλ, (23)

kjer je N število nastalih kolobarjev in λ valovna dolžina uporabljenega laserja.

Na podoben način lahko raziskujemo tudi gibanje delcev v tekočini. Curek laserske

svetlobe razdelimo na dva delna curka pod določenim kotom. Curka fokusiramo na

površino tekočine, kjer se ustvari interferenčni vzorec s temnimi in svetlimi progami.

31

Ko delec preleti svetlo progo, se svetloba od njega odbije, pri prehodu temne proge pa

odboja ni. Odbito svetlobo prestrežemo in analiziramo.

Slika 18. Michelsonov interferometer; 1 – laser, 2 – pritrjeno zrcalo, 3 - delilnik curka, 4

– zaslon z interferenčnim vzorcem, 5 – gibljivo zrcalo, ki se premika zaradi zunanjega

vpliva, s polno črto je označena pot referenčnega curka, s črtkano črto pa pot merilnega

curka.

Za merjenje velikosti delcev se uporablja merilni sistem, ki temelji na uklonu. Čim

manjši je delec, tem bolj se bo curek odklonil. Kot uklona je sorazmeren z velikostjo

delca.

5.2 Uporaba laserja v medicini

V večini primerov uporabe laserske svetlobe v medicini so procesi podobni kot pri

primerih uporabe v tehniki. Zato bomo v nadaljevanju opisovali samo posebnosti, ki so

značilne za medicino.

Delovanje laserske svetlobe na biološka tkiva je lahko destruktivno ali stimulativno.

Destruktivni učinki delovanja laserske svetlobe se dosegajo z visoko gostoto energije

fokusiranih laserskih žarkov, za stimulativne učinke pa se uporablja laserska svetloba

nizkih moči in majhne gostote energije.

1

2 3 4

5

32

5.2.1 Destruktivno delovanje laserske svetlobe

Pri destruktivnem delovanju laserska svetloba povzroči razpad tkiva. Za doseganje

takšnih učinkov moramo lasersko svetlobo zbrati na čim manjšem področju. S tem

dosežemo veliko gostoto energije. Optična energija se absorbira v tkivo in pretvori v

toplotno energijo. Razpad mehkih tkiv je rezultat trenutnega izparevanja intercelularne

tekočine, ki se eksplozivno širi. Prostornina izparelega tkiva je odvisna od gostote

energije in časa izpostavljenosti sevanju. Z zadrževanjem fokusa laserskega curka na

enem mestu se formira krater, z linearnim premikanjem fokusa po površini tkiva pa se

doseže rez.

Vpliv svetlobe na tkivo [7] je odvisen od valovne dolžine in absorbtivnosti tkiva pri tej

valovni dolžini. Valovna dolžina je pomembna, ker je od nje odvisna velikost področja,

na katerem zberemo curek laserske svetlobe in globina, do katere lahko laserska

svetloba prodre. Velikost področja, na katerem zbiramo lasersko svetlobo, se z

manjšanjem valovne dolžine zmanjšuje, globina prodiranja pa se z večanjem valovne

dolžine povečuje. Ob vpadu curka laserske svetlobe na tkivo se del curka odbije, del pa

se ga absorbira. Razmerje med delom, ki se absorbira in delom, ki se odbije, je prav

tako odvisno od valovne dolžine vpadle laserske svetlobe in absorbtivnosti tkiva pri tej

valovni dolžini. Argonski laser npr. seva v modro – zelenem delu vidnega svetlobnega

spektra. V tem območju je največja absorbcija v hemoglobinu, kar pomeni, da ga bodo

absorbirala tkiva, ki vsebujejo hemoglobin, skozi prozorne tekočine pa bo prešel brez

absorbcije in izgube energije. CO2 laser seva v infrardečem področju spektra. Ker se

infrardeča svetloba najbolj absorbira v vodi, je za količino absorbnirane svetlobe v tkivu

najbolj pomembna vsebnost vode. Mehka tkiva vsebujejo približno enak, velik odstotek

vode (~ 75%), zato je rez s CO2 laserjem enakomeren. Proces poteka pri temperaturi

okoli 100°C. Prevajanje toplote na okoliška tkiva je minimalno, zato ostanejo vitalna.

Pri rezanju kosti, ki vsebuje precej manjši odstotek vode (~ 25%), je potrebna veliko

večja gostota energije. Velik del laserskega curka se na meji kost – tkivo odbije, del

energije se porabi za izparevanje tekočin, ostali del pa za segrevanje kosti do nekaj

100°C, ko se razcepijo vezi kalcijevega fosfata. Z nadaljnjim izpostavljanjem istega

mesta delovanju laserske svetlobe se odboj manjša, absorbcija pa povečuje. Razcep vezi

oziroma rez kosti se nadaljuje. Prevajanje toplote in s tem poškodbe sosednjih struktur

so večje in rastejo s časom izpostavljenosti sevanju.

33

5.2.2 Stimulativno delovanje laserske svetlobe

Da lahko ima laserska svetloba tudi bio-stimulativne učinke, so odkrili, ko so laserje

nizkih moči uporabili v primerih, kjer so že prej uporabljali druge metode fototerapije.

Tako se je začel razvoj nizko energijske laserske terapije (LLLT – Low Level Laser

Therapy) [11].

Laserska stimulacija povzroča manjšanje različnih vnetij, omogoča hitrejše okrevanje

poškodovanega tkiva, manjša bolečine in v nekaterih primerih celo regenerira nekatere

okvarjene funkcijske procese. Zelo obetavne so tudi raziskave uporabe laserske bio-

stimulacije za regeneracijo živčnih celic [11]. Eden glavnih učinkov terapije z lasersko

svetlobo je ta, da laserski snop v celičnih mitohondrijih stimulira pospešeno

proizvodnjo molekul ATP. Laserska svetloba vpliva tudi na prepustnost celične

membrane. To povzroči hitrejše izvajanje celičnih aktivnosti. Za zdravo celico ti učinki

niso posebno pozitivni, pri poškodovanih pa naj bi na ta način s pravilnim doziranjem

primerne laserske svetlobe dosegli izboljšanje stanja ali pa celo popolno regeneracijo.

Terapevtski učinki laserske svetlobe so vezani na določena frekvenčna in energijska

območja. Na teh območjih so terapevtski učinki optimalni, zunaj njih pa je delovanje

lahko celo inhibitorno in lahko negativni efekti prevladajo nad pozitivnimi. Ugodna

frekvenčna območja so vezana na resonančne lastnosti tkiva, energijska območja pa na

količino sevalne energije, ki se absorbira v tkivo. Po raziskavah Arndt-Shultza je

primerno območje gostote energije med 0,01 in 10 J/cm2 [11]. Več o mehanizmih bio-

stimulativnega delovanja na biološko tkivo lahko najdemo v [7] in [11].

5.2.3 Laserski operativni posegi

Področje uporabe laserjev v operativne namene je zelo raznoliko in temelji na

destruktivnih učinkih laserske svetlobe. Uporabljajo ga za rezanje tkiv, izparevanje

tumorjev, odstranjevanje tetovaž, odstranjevanje kožnih defektov, zatiranje prekomerne

poraščenosti, vrtanje zob in izboljšanje vida. Pri operativnih posegih moramo zelo

dobro poznati absorbcijske lastnosti tkiv, ter njihove reakcije na določene valovne

dolžine in intenzitete uporabljene svetlobe. Rezanje tkiv z laserskim curkom v kirurgiji

nadomešča kirurški nož in elektrokavterizacijo. Rezanje z laserjem ima številne

prednosti:

34

- instrument se ne dotika biološkega tkiva,

- operacijsko polje je suho, skoraj brezkrvno,

- operacijski postopek je popolnoma sterilen,

- intervencija je lokalna in zelo natančna,

- pogleda na operacijsko polje ne zastirajo kirurški instrumenti,

- celjenje rane je hitro, z minimalno oteklino in brazgotino,

- ni elektromagnetne interference z monitorji in različnimi napravami, kot so npr.

srčni vzpodbujevalniki,

- bolečine po operativnih posegih so manjše, kot pri ostalih oblikah rezanja tkiv.

5.2.4 Uporaba laserja v diagnostiki

Kot močan izvor monokromatične koherentne svetlobe se laser v diagnostiki na prvem

mestu uporablja za izboljšanje že obstoječih optičnih diagnostičnih metod in naprav.

Tako sta se npr. izboljšali metoda fluorescentne mikroskopije, ki se uporablja za

proučevanje biofizikalnih in biokemijskih procesov v celicah in metoda mikroskopske

masne analize, ki omogoča hitro analizo koncentracije kovin v mikroskopskih

vzorcih [7].

Med množico metod bomo omenili pretočno citometrijo [7, 10]. Pretočna citometrija je

postopek, pri katerem merimo velikosti posameznih celic. Je eden izmed ključnih

raziskovalnih postopkov pri odkrivanju rakavih celic in imunitetnih bolezni. V

preprostem pretočnem citometru celice ena za drugo potujejo skozi ozko kapilaro, ki jo

osvetljujemo s fokusiranim laserskim snopom. Na celicah se žarek lahko ukloni ali pa

absorbira. Če celice absorbirajo fotone, se fluorescentne molekule vzbudijo in ob

sprostitvi emitirajo foton. Emitirane fotone analiziramo preko različnih barvnih filtrov,

tako da ločimo intenziteto pri posameznih valovnih dolžinah. Iz teh meritev lahko

določimo velikost celic in notranjo zgradbo.

Opisali smo nekaj izhodišč za uporabo laserja v tehniki in medicini. Področje uporabe

pa je seveda še veliko širše. Uporabljamo ga v gradbeništvu za niveliranje, v procesu

zapisovanja na zgoščenke, v vojaški industriji, pri telekomunikacijah, za izdelavo in

branje hologramomov itd. Eno izmed področij uporabe pa srečamo tudi v šoli. Za

prikazovanje lastnosti valovanja je najprimernejša prav laserska svetloba. Z njim lahko

35

nazorno prikažemo odboj, lom, uklon in interferenco. Za prikaz lahko uporabimo kar

navadni laserski kazalnik. Ta pa je že sam po sebi primer uporabe laserske svetlobe.

36

6 Laser pri poučevanju v osnovni in srednji šoli Drugi del diplomske naloge je zasnovan kot podpora poučevanju v osnovni in srednji

šoli. Izdelanih je nekaj elektronskih prosojnic, ki podajajo teoretične osnove, potrebne

za razumevanje delovanja laserja in njegove uporabe. Glavni namen je prikazati

povezavo med lastnostmi laserske svetlobe in uporabo, ki je s temi lastnostmi pogojena.

Elektronske prosojnice so izdelane interaktivno in so v takšni obliki podane tudi na

priloženi zgoščenki. Pri nekaterih prosojnicah so dodane tudi povezave na spletne

strani, kjer lahko najdemo kratke filme ali aplete, ki prikazujejo izbrano tematiko.

Vsebine in možnosti uporabe prosojnic so prikazane v nadaljevanju. Opisani so tudi

štirje poskusi. Prva dva poskusa prikazujeta uporabo laserja za prikaz uklona in

interfererence. Druga dva poskusa pa prikazujeta uporabo laserja kot pripomočka za

merjenje majhnih razdalj in določanje dioptrije.

Elektronske prosojnice in opisani poskusi so lahko učiteljem v pomoč pri motiviranju

učencev ali pa jih uporabijo kot podporo pri podajanju učnih vsebin s področja svetlobe

in valovanja. Uporabne pa so tudi za medpredmetno povezovanje s predmetom tehnika

in tehnologija.

6.1 Elektronske prosojnice

Interaktivna oblika elektronskih prosojnic je podana na priloženi zgoščenki. Tukaj pa

želim samo podati pregled njihove vsebine in možnosti uporabe, ki jo nudijo. Začetek

predstavlja šest miselnih vzorcev, ki nam omogočajo, da lahko sami izbiramo tiste

prosojnice, ki jih potrebujemo oziroma želimo prikazati (slike 19 – 24). Tako lahko npr.

v osnovni šoli pri pojavih pri valovanju (slika 19b) prikažemo samo lom in odboj, v

srednji šoli pa dodamo še uklon in interferenco. Osrednje mesto ima prvi miselni vzorec

(slika 19a), kjer so predstavljena področja, ki jih diplomsko delo in tudi same prosojnice

obravnavajo in so vsako na svoj način povezana z laserjem. V enem ali dveh korakih se

lahko vedno vrnemo na to prosojnico. Ostale prosojnice pa izbiramo po svojih željah in

potrebah.

37

VRSTE LASERJEV

PLINSKI LASERJITRDNINSKI LASERJI

POLPREVODNIŠKI LASERJI

POSKUSI Z LASERJEM

UKLON

INTERFERENCA

MERJENJE MAJHNIH RAZDALJ

DOLOČANJE DIOPTRIJE

a) b)

c) d)

e) f)

Slika 19. Uvodne prosojnice; a) laser, b) pojavi pri valovanju, c) fizikalne lastnosti,

d) uporaba, e) vrste laserjev, f) poskusi z laserjem.

Prosojnica na sliki 19b (pojavi pri valovanju) nam omogoča povezavo na prosojnice, ki

prikazujejo lom (slika 20), odboj (slika 21), interferenco (sliki 22 in 23) in uklon (slika

24) valovanja. Na prosojnicah za uklon in interferenco lahko najdemo tudi povezavo na

spletno stran [17], ki prikazuje kratek film. V filmu je prikazan uklon na reži, uklon na

okrogli odprtini in kombinacija uklona in interference na dveh režah. Pri uklonu na reži

je prikazano spreminjanje uklonske slike v odvisnosti od širine reže. Za prikaz

LASER

POJAVI PRI VALOVANJUFIZIKALNE LASTNOSTI

UPORABA

NASTANEK LASERSKE SVETLOBE VRSTE LASERJEV

DELI LASERJA

POSKUSI Z LASERJEM

POJAVI PRI VALOVANJU

LOM VALOVANJA

ODBOJ VALOVANJAUKLON VALOVANJA

INTERFERENCA VALOVANJA

FIZIKALNE LASTNOSTI

KOHERENTNOST

MONOKROMATIČNOSTMAJHEN DIVERGENČNI KOT

VELIKA GOSTOTA ENERGIJE

UPORABA

TEHNIKA

MEDICINA

OPERATIVNI POSEGI DIAGNOSTIKA

OBDELAVA MATERIALOV MERILNI LASERJI

DRUGA PODROČJAUPORABE

38

Lom valovanja

Prehod valovanja v optično gostejše sredstvo:npr. zrak - voda

Prehod valovanja v optično

redkejše sredstvo:npr. steklo - zrak

vpadni vpadna žarek pravokotnica

α

β

lomljeni žarek

α

β

vpadni vpadna žarek pravokotnica

lomljeni žarek

optično redkejše sredstvo

optično gostejše sredstvo

optično gostejše sredstvo

optično redkejše sredstvo

Odboj valovanja

vpadna pravokotnica

vpadni odbiti žarek žarek

α β

Odbojni zakon:

Vpadni kot α je enak odbojnemu kotu β:

α = β

odvisnosti interferenčne in uklonske slike od valovne dolžine so uporabljeni laserji treh

različnih valovnih dolžin.

Slika 20. Prosojnica s prikazom loma valovanja

Slika 21. Prosojnica s prikazom odboja valovanja

39

Interferenca valovanja 1

Interferenca je pojav, pri kateremse seštejeta dve ali več valovanj, ki imajo med seboj določene faznepovezave.

Kombinacija uklona in interference na dveh režah z laserji treh različnih valovnih dolžin:

Destruktivna interferenca:

+ =

+ =

Konstruktivna interferenca:

Vir: http://techtv.mit.edu/tags/1389-light/videos/2384-laser-diffraction-and-interference

Slika 22. Prosojnica s prikazom interference valovanja, možna je povezava na film.

Slika 23. Prosojnica s prikazom nastanka interferenčne slike

Interferenca valovanja 2

Vi r:miscl ab .umeoce. ma in e.e du /.. ./Week_9 .h tm

svetlobno

valovanjeinterferenčna slikaprepreka z

dvema režama

40

Uklon valovanjaUklon laserske svetlobe na ozki reži:

Vir: http://techtv.mit.edu/tags/1389-light/videos/2384-laser-diffraction-and-interference

λD

λD

Uklon na široki reži: D > λ

Uklon na ozki reži: D ≈ λ

Slika 24. Prosojnica s prikazom uklona valovanja, možna je povezava na film.

Prosojnica na sliki 19c (fizikalne lastnosti) nam omogoča povezavo na prosojnice, ki

prikazujejo posebne lastnosti laserske svetlobe: koherentnost (slika 25),

monokromatičnost (slika 26), majhen divergenčni kot (slika 27) in veliko gostoto

energije (slika 28). Tudi v tem sklopu prosojnic imamo možnost povezave na spletne

strani. Pri opisu monokromatičnosti si lahko ogledamo aplet [18], ki prikazuje različna

svetila in z valovi prikazano svetlobo, ki jo oddajajo.

Slika 25. Prosojnica s prikazom razlike med koherentno in nekoherentno svetlobo

Koherentnost

nekoherentna svetloba

koh erentna svetloba

ni fazn e pove zave

fazna p oveza va

41

Majhen divergenčni kot

laser – majhen

divergenčni kot αα

navadno svetilo – velik

divergenčni kot αα

Slika 26. Prosojnica s prikazom razlike med belo svetlobo in monokromatično svetlobo,

možna je povezava na aplet.

Slika 27. Prosojnica s prikazom divergenčnega kota navadnega svetila in laserja

Monokromatičnostbela svetloba (nekoheren tna):

monokromatična koherentna vijolična svetloba:

mononokromatična koherentna rdeča svetloba:

42

Slika 28. Prosojnica s prikazom razlike med fokusiranjem navadne in laserske svetlobe

Na prosojnici, ki prikazujeta dele laserja (slika 29) in nastanek laserske svetlobe (slika

30), se povežemo z začetne prosojnice, ki je prikazana na sliki 19a. Prosojnica o

nastanku laserske svetlobe nudi tudi povezavo na kratek aplet [22].

Slika 29. Prosojnica s prikazom osnovnih delov laserja

Velika gostota energije

ffv

fz

fr

Navadna svetloba:

f

Laserska svetloba:

monokromatičnost

majhen divergenčni kot

velika gostota

energije

divergentnega snopa n e moremo zbrati na malem področju

goriščna razdalja je odvisna od valovne dolžine svetlobe

Deli laserja

Glavni sestavni deli laserja:

- resonančna votlina z zrcali

- aktivna snov (trdna snov, plin, tekoč ine itd.)

- sistem za vzbujanje

resonator

aktivna snov

sistem za vzbujanje

polprepustno zrcalozrcalo

43

Trdninski laserji

trdna paličica

plinska bliskavica za vzbujanje

odboj na zbrušenih površinah

izhod curka laserske svetlobe

Aktivna snov:

- kristal rubina (λ = 693 nm)

- neodiumovo steklo

- neodim-itrijev-

aluminijev garnat (Nd-YAG)

Vir:zvonko.fgg.uni-lj.si/.../LASER3.htm

Slika 30. Prosojnica s prikazom nastanka laserske svetlobe, možna je povezava na aplet.

Naslednja prosojnica v obliki miselnega vzorca, ki je prikazana na sliki 19e (vrste

laserjev), nam nudi povezavo na tri prosojnice, ki podajajo prikaz trdninskih laserjev

(slika 31), plinskih laserjev (slika 32) in polprevodniških laserjev (slika 33).

Slika 31. Prosojnica s prikazom delov in aktivnih snovi pri trdninskih laserjih

Nastanek laserske svetlobe

Vzbujan je atomov aktivn e sno vi in nastanek svetlobe različn ih smeri.

Ojača nje vzporednih curkov svetlo be z verižnim odbojem na zrcalih.

Izhod laserske svetlobe skozi polprepustno zrcalo.

Vir:R.M cK ie: Laser ji

44

Plinski laserji

sistem za vzbujanje

resonatorska votlina s plinom

polprepustno zrcalo

neprepustno zrcalo

Aktivni plini:

- zmes helija in neona

(λ = 632,8 nm, λ = 1150 nm)

- dušik (λ = 337 nm)

- CO2 (λ = 10,6 µm)

Vir:http://sl.wikipedia.org/wiki/laser.

Slika 32. Prosojnica s prikazom delov in aktivnih snovi pri plinskih laserjih

Slika 33. Prosojnica s prikazom delov in aktivnih snovi pri polprevodniških laserjih

Polprevodniški laserjip-n spoj

polirana površina –deluje kot zrcalo

izhod curka laserske svetlobe

Aktivna snov:

- GaAs

- InP

- PbTe

Vir:www-f9.ijs.si/.../laserska%20dioda.htm

45

Merilni laserji 2

Laserski merilnik razdalj:

Vir: www.revija.org/orodje_merjenje/merilnik_razda...

odboj svetlobe

merjenje časa in izračun razdalje

d = c ∆t/2

d…..merjena razdalja

∆t …čas vrnitve signala

c …..hitrost svetlobe

Prosojnice, ki prikazujejo uporabo laserja vsebujejo predvsem slike, ki naj vzbudijo

učenčevo zanimanje. Pri vsaki uporabi je zapisana tudi povezava lastnost – uporaba.

Uvodna prosojnica za ta sklop je prikazana na sliki 19d, primeri posameznih uporab pa

so podani na slikah 34 – 40. Učiteljeva razlaga ob njih je odvisna od starostne stopnje

učencev, ki jih poučuje.

Slika 34. Prosojnica s prikazom sheme Michelsonovega interferometra

Slika 35: Prosojnica s prikazom laserskega merilnika razdalj in postopka izračuna

merjene razdalje

Meriln i laserji 1M ichelsonov interferometer:

1

2 3 4

5

1 – las er,

2 – pritr jen o og ledalo,

3 - d elilnik curka,

4 – zas lon z interferencn im vzorc em,

5 – g ibljivo og led alo, k i s e prem ika zaradi zunan jega vpliva,

in terferenca koherentne svetlobe

m erjenje m ajhnih razdalj

V ir:http://w ww -f1 .ijs.si/~ziherl/Indu strijskiLaserji.pdf.

46

Slika 36. Prosojnica s prikazom sheme obdelave materialov in varilnega laserja [23]

Slika 37. Prosojnica s prikazom določanja dioptrije

Diagnostika

Določanje dioptrije:

interferenca

določanje dioptrije

Glej poskus: določanje dioptrije udeležencev

Vir: h tt p: // www. vid .si /ima ges/gl aut ec_ laser. jpg

Obdelava materialovShema obdelave materialov:

5

4

1 – laser, 2 – napajan je lase rja , 3 – h la jen je lase rja ,4 – vodenje c urka, 5 – delovna miza in ob jekt obdelave, 6 – upravljan je sistema

3

1

2

6

Varilni laser

velika go sto ta energije

taljenje in izp arevanje

materiala

Vi r:w ww .pro -p or ta l. com/ ro fi n_ sta rw eld _se lect .h tm

47

Slika 38. Prosojnica s prikazom laserskega rezanja tkiv

Slika 39. Prosojnica s prikazom operacije oči

Operativni posegi 2

Očesna operacija :

velika gostota energije

izparevanje intercelularne tekočine

odnašanje tkiva

Operativni posegi 1Rezanje z laserjem ima številne prednosti:

• pogleda na operacijsko polje ne zastirajo kirurški instrumenti, • celjenje rane je hitro, z minimalno oteklino in brazgotino,• instrument se ne dotika biološkega tkiva,• operacijsko polje je suho, skoraj brezkrvno,• operacijski postopek je popolnoma sterilen,• intervencija je lokalna in zelo natancna.

Rezanje kože:

velika gostota energije

razpad tkiva

Vir: vestnik.szd.si/st2-s2/st2-s2-035-38.htm

48

Slika 40. Prosojnica s prikazom drugih področij uporabe [13]

Zadnja izmed uvodnih prosojnic (slika 19f) nam nudi povezavo na prosojnice s

fotografijami štirih poskusov (slike od 41 – 44), ki so opisani v naslednjem poglavju.

Slika 41. Prosojnica s prikazom fotografij poskusa - uklon

Druga področja uporabe

• Gradbeništvo – določanje lege objektov

• Komunikacije – prenašanje laserske svetlobe po optičnih vlaknih

• Vojska – daljinomeri, avtomatsko merjenje višine, vodenje raket

• Geodezija – merjenje dolžin, niveliranje

• Zlivanje atomskih jeder – doseganje visokih temperatur

• Holografija – izdelava in ogled tridimenzionalnih s lik

Vir:zvonko. fgg. uni-lj .si/ .../ LASER 3.htm

U klon

P ostavit ev p osk usa z uporabo na jlonsk e nogav ice : S lika n a z aslonu :

N a jlonsk a nogav ica in z gošč enka de lu je ta ko t uk lons ka m režic a .

49

InterferencaPrepreka z dvema režamaje lahko:

- nosilec diapozitiva z aluminijasto fo lijo

-nosilec diapozitiva s č loveškimi lasmi

Ena reža - uklon: Dve reži - uklon in interferenca:

Postavitev poskusa:

Merjenje majhnih razdalj

Z uklonom določimo razdaljo med vdolbinicami na zgoščenki.

Slika 42. Prosojnica s prikazom fotografij poskusa – interferenca

Slika 43. Prosojnica s prikazom postavitve poskusa – uklon na zgoščenki

50

Določanje dioptrije

Dioptrijo določamo z opazovanjem premikanja laserskih peg.

Postavitev poskusa: Slika na zaslonu:

Slika 44. Prosojnica s prikazom fotografij poskusa – določanje dioptrije

Prikaz prosojnic, ki sem jih pripravila, je s sliko 44 končan. Na slikah, ki prikazujejo

prosojnice, lahko vidimo interaktivne gumbe, ki nam nudijo možnost izbire. To je

animacijska shema, ki jo priporočam jaz. Seveda pa na koncu vedno obstaja možnost,

da si animacijo uredimo po svoje.

6.2 Poskusi z laserjem

Izbrala sem 4 poskuse, za katere menim, da kar dobro predstavljajo laser in njegovo

uporabo. Vsi poskusi so povzeti po delu Paula Dohertyja iz Exploratoriuma v San

Franciscu [22]. Njihova skupna značilnost je uporaba pripomočkov, ki niso dragi in jih

lahko veliko tudi sami izdelamo. Lahko pa za izdelavo zadolžimo tudi učence. Prav tako

jih lahko zaradi uporabe poceni materialov učenci v večjem številu izvajajo sami. Oboje

naj bi pripomoglo k večji motiviranosti učencev za delo in učenje. Prva dva poskusa

(6.2.1 in 6.2.2) prikazujeta pojava uklon in interferenco, ki ju uporabimo, ko želimo

prikazati pojave pri valovanju nasploh ali pa pri obravnavi laserja. Druga dva poskusa

(6.2.3 in 6.2.4) prikazujeta uporabo laserja pri merjenju majhnih razdalj in določanju

dioptrije.

51

V vseh poskusih potrebujemo sistem za pritrditev laserja. Uporabimo lahko stojala in

prižeme, magnetno optično držalo [15], kot ga prikazuje in priporoča Paul Doherty ali

pa naredimo nekaj svojega. Laser, ki ga uporabljamo je lahko navadni laserski kazalnik,

ki pa naj bi imel moč vsaj 1 mW. Če je možno izvajamo poskuse v prostoru z

možnostjo zatemnitve. Ostali pripomočki so navedeni pri vsakem poskusu posebej.

PAZI! Direktni ali od predmetov odbiti curek laserske svetlobe lahko povzroči

poškodbe oči!

6.2.1 Uklon

Predstavitev

Majhen luknjičasti vzorec na materialu povzroči velik vzorec na uklonski sliki.

Pripomočki

• najlonska nogavica

• zgoščenka

• DVD

• laser; zadostuje navaden laserski kazalnik

• bel zaslon, npr. bel papir za plakate

• merilo

• sistem za pritrditev laserja

Priprava

Bel papir za plakate pritrdimo na steno ali na tablo. Laser pritrdimo v sistem za

pritrditev laserja. S tem zagotovimo, da se laserski kazalnik med prikazovanjem ne

ugaša in ne premika.

Poskus

Najlonsko nogavico držimo približno 20 cm od zaslona (slika 45a). Curek laserske

svetlobe usmerimo skozi nogavico proti belemu zaslonu. Na zaslonu opazujemo

uklonsko sliko (slika 45b). Izmerimo premer uklonskega vzorca. Najlonsko nogavico

raztegujemo v različnih smereh in opazujemo kako se spreminja uklonski vzorec na

zaslonu. Vidimo, da se uklonski vzorec zmanjšuje v smeri, v kateri smo nogavico

52

raztegnili. Najlonsko nogavico zamenjamo z zgoščenko, ki smo ji prej odstranili

aluminijasto prevleko. Spet opazujemo nastali uklonski vzorec. Zgoščenko zamenjamo

z DVD–jem, ki smo mu prav tako odstranili prevleko. Primerjamo oba nastala vzorca.

a) b)

Slika 45. (a) Postavitev poskusa za prikaz uklona na najlonski nogavici, (b) slika na

zaslonu

Kaj se dogaja?

Ko z lasersko svetlobo posvetimo skozi luknjičasti material, se na zaslonu pojavi

uklonska slika. Če se razdalja med luknjami na poskusnem vzorcu povečuje, se razdalja

med svetlimi pegami na uklonski sliki zmanjšuje in obratno. Primerjava vzorcev pri

nogavici, ki jo raztegujemo, to potrjuje. Ob primerjavi vzorcev uklonskih slik pri

uporabi zgoščenke in DVD-ja lahko tako sklepamo na to, da je vzorec lukenj na DVD-

ju gostejši. To je eden izmed razlogov, da lahko na DVD-ju shranimo več podatkov kot

na zgoščenki. S preiskavo vzorcev uklonskih slik lahko preiskujemo luknjičavost

materiala.

6.2.2 Interferenca

Predstavitev

Curek laserske svetlobe pošljemo skozi dve reži z namenom, da dobimo na oddaljenem

zaslonu interferenčno sliko. Interferenčna slika je eden izmed dokazov, da je laserska

svetloba valovanje. Najprej pošljemo curek laserske svetlobe skozi eno režo. Na zaslonu

dobimo osvetljeno področje, na katero se je razširil curek. Laserski curek preusmerimo

53

na par rež. Na osvetljenem področju se pojavijo ojačitve in oslabitve svetlobe. Laserski

curek spet preusmerimo na samostojno režo. Interferenčna slika izgine.

Pripomočki

• laser; baterijski laserski kazalnik z močjo 1 mW ali manj

• kos belega kartona s sistemom za pritrditev

• 2 prazna, 35 mm nosilca diapozitivov

• človeški lasje

• oster nož

Priprava

Aluminijasto folijo vpnemo v prazen nosilec diapozitivov. Na foliji naredimo približno

2 cm od roba rez z noževim rezilom. Da naredimo raven rez lahko uporabimo drug

nosilec diapozitivov kot ravnilo. Za rezanje raje uporabimo nož kot britev. Nož naredi

širšo režo, ki nam zagotavlja svetlejšo sliko. 2 cm od drugega roba naredimo 2 reza, ki

sta zelo blizu skupaj. Eksperimentalno določimo kako blizu skupaj naj bosta reži, da

bomo dobili najboljšo interferenčno sliko. Reži morata biti dovolj blizu, da ju laserski

curek zadene ob istem času in dovolj narazen, da je vzorec oslabitev in ojačitev jasen.

Ugotovimo, da morata biti reži oddaljeni največ 0,5 mm. Nosilec z aluminijasto folijo

pritrdimo na podlago približno 2 cm vstran od laserja.

Poskus

Z laserjem posvetimo skozi enojno režo proti belemu zaslonu (slika 46). Na zaslonu

opazujemo interferenčno sliko (slika 47a). Snop laserske svetlobe se širi skozi režo

pravokotno nanjo. Vidimo lahko, da se razširi v črto sestavljeno iz ojačitev in oslabitev.

Osrednja ojačitev je najširša in najsvetlejša. Snop laserske svetlobe usmerimo na dve

reži. Opazimo, da so ojačitve prepredene z več temnimi področji (slika 47b). Laser spet

usmerimo na eno režo. Opazimo, da temna področja izginejo, če je odprta ena reža in se

spet pojavijo, ko sta odprti dve reži. Reži lahko nadomestimo z lasmi, ki jih pritrdimo

na prazen okvir diapozitiva. Opazimo, da dobimo podobno interferenčno sliko kot v

prejšnjih primerih.

54

Slika 46. Postavitev poskusa za prikaz interference

a) b)

Slika 47. a) Slika na zaslonu – uklon na eni reži, b) slika na zaslonu – uklon in

interferenca na dveh režah

Kaj se dogaja?

Laser proizvaja koherentno svetlobo. V razpolovišče razdalje med režama postavimo

zveznico z zaslonom, ki je nanj pravokotna (slika 48). Do točke, kjer pravokotnica udari

ob zaslon, prepotujeta oba curka laserske svetlobe enako pot. Maksimumi prvega curka

padejo na maksimume drugega curka, minimumi prvega curka padejo na minimume

drugega curka. Dobimo osrednjo maksimalno ojačitev – konstruktivna interferenca. Do

področja nad in pod osrednjo ojačitvijo prepotujejo curki različne poti. Tako se v

primeru, ko je razlika poti enaka polovični valovni dolžini laserske svetlobe, zgodi, da

padejo minimumi prvega curka na maksimume drugega curka, maksimumi prvega

curka pa na minimume drugega curka. Valovi se izničijo, dobimo oslabitev svetlobe

55

oziroma destruktivno interferenco. Nad in pod tem področjem dobimo po istem principu

še druge ojačitve in oslabitve.

Slika 48. Prikaz interference valovanja

6.2.3 Uklon laserske svetlobe na zgoščenki - merjenje majhnih

razdalj

Predstavitev

Če pregledamo površino zgoščenke z elektronskim mikroskopom (slika 49), vidimo niz

vdolbinic izdolbenih v spirali okrog središča. Razmike med nizi vdolbinic lahko

določimo z uklonom laserske svetlobe.

Slika 49. Z elektronskim mikroskopom povečana površina zgoščenke

Pripomočki

• laser z znano valovno dolžino

• zgoščenka z odstranjeno aluminijasto prevleko

• merilo

svetlobno

valovanjeinterferenčna slikaprepreka z

dvema režama

56

• sistem za pritrditev laserja in zgoščenke

Priprava

Laser pritrdimo v sistem za pritrditev (slika 50). Prav tako pritrdimo zgoščenko. Le-ta

naj bo postavljena navpično. Če si njegovo površino predstavljamo kot uro, potem

usmerimo laserski žarek v položaj, ko je ura tri. Zaslon mora biti najmanj 1 meter

oddaljen od zgoščenke.

Poskus

Izmerimo razdaljo D od zaslona do zgoščenke v metrih. Z laserjem posvetimo na

zgoščenko. Opazimo, da je osrednja svetlobna ojačitev, ki jo dobimo na zaslonu, na

vsaki strani obdana še z dvema ojačitvama. Izmerimo razdaljo s med središčem osrednje

svetlobne ojačitve in središčem ene od stranskih ojačitev v metrih. Izračunamo kot φ

med smerjo osrednje ojačitve in stranske ojačitve v radianih:

s

Dϕ = . (24)

Z uporabo enakosti (25) lahko izračunamo razdaljo med nizi na zgoščenki v metrih:

dλ

ϕ= , (25)

kjer je λ valovna dolžina uporabljene svetlobe. Rdeči laserski kazalniki imajo valovno

dolžino okrog 730 nm.

Slika 50. Postavitev poskusa za merjenje razdalje med vdolbinicami na zgoščenki.

57

Kaj se dogaja?

Glasba in ostali podatki so na zgoščenki zapisani v digitalnem formatu v obliki

vdolbinic, ki so nanešene v spirali okrog središča. Vdolbinice delujejo kot uklonska

mrežica. Laserski curek se na zgoščenki uklanja. V sredini dobimo uklonski maksimum

reda 0. Desno in levo od osrednje ojačitve dobimo še dodatni ojačitvi, ki sta pod kotom

φ glede na ojačitev reda 0. Kot φ je odvisen od valovne dolžine uporabljene laserske

svetlobe in razdalj med vdolbinicami na zgoščenki po enačbi (26). Manjše so razdalje

med vdolbinicami, večji je kot φ. Standardna razdalja med vdolbinicami na zgoščenki je

približno 1,6 µm [15]. Razlago enačb (25) in (26) najdemo v [15].

6.2.4 Laserske pege – določanje dioptrije

Predstavitev

Udeleženci poskusa v tem primeru opazujejo morebitno premikanje slike na zaslonu, če

sami premikajo glavo v določeno smer. Kratkovidni ljudje vidijo premikanje slike v

drugo smer kot daljnovidni. Ljudje z normalnim vidom premikanja sploh ne vidijo. Ko

morajo opisati, kaj so videli, se znajdejo pred dilemo, ali naj povedo, kaj so v resnici

videli ali pa naj se pridružijo mnenju večine. S poskusom lahko tako določimo

kratkovidne in daljnovidne osebe. Istočasno pa ustvarimo situacijo, pri kateri morajo

udeleženci natančno opazovati in nepristransko poročati o tem kar vidijo. Od tega je

namreč odvisen rezultat raziskave. V resničnem znanstvenem delovanju je napredek

znanosti v veliki meri odvisen prav od natančnega opazovanja in nepristranskega

poročanja.

Pripomočki

• laser

• zbiralna leča

• bel zaslon

Če želimo poskus izvesti za več udeležencev in večji avditorij, potrebujemo laser, ki

ima moč najmanj 1 mW. Vzamemo rdeč laserski kazalnik; še boljši je laser, ki proizvaja

zeleno svetlobo. Človeško oko je namreč za zeleno svetlobo veliko bolj občutljivo kot

za rdečo.

58

Priprava

Pritrdimo laser in zbiralno lečo (slika 51). Curek laserske svetlobe usmerimo skozi lečo

proti zaslonu. Slika na zaslonu je sestavljen iz rdečih in črnih peg (slika 52). Te pege

imenujemo laserske pege.

Poskus

Udeležence opozorimo, da se osredotočijo na svetlobni krog s pegami. Vsak izmed

opazovalcev naj nagne glavo na eno stran, npr. na desno. Naročimo jim, da naj

opazujejo, v katero smer se gibljejo pege.

Nekaj udeležencev bo reklo, da se pege gibljejo v isto smer, kot so premaknili glavo.

Nekaj jih bo reklo, da se gibljejo v nasprotno smer. Nekaj pa jih bo reklo, da se ne

gibljejo ali pa da jih sploh ne vidijo. Poskus lahko ponovimo s premikanjem glave gor

in dol in za vsako oko posebej.

Slika 51. Postavitev poskusa za določanje dioptrije

Slika 52. Laserske pege

59

Kaj se dogaja?

Curek laserske svetlobe je koherenten preden vpade na hrapav zaslon. Po odboju na

zaslonu svetlobni valovi interferirajo. Laserske pege so rezultat interference svetlobe, ki

se odbije od hrapave površine zaslona.

Kratkovidni ljudje vidijo premikanje peg v nasprotni smeri od gibanja glave.

Daljnovidni pa vidijo premikanje peg v isti smeri, kot so premaknili glavo. Ljudje z

dobrim vidom ne vidijo nobenega premikanja. Ljudem z dobrim vidom se oko pri

opazovanju peg prilagodi tako, da nastane slika stene in laserskih peg na mrežnici. Ob

premikanju glave ni relativnega gibanja enega objekta proti drugemu. Ko poskus

opazujejo kratkovidne osebe se njihovo oko prilagodi tako, da slika laserskih peg in

vseh objektov pred steno nastane na mrežnici, slika stene pa za mrežnico. Stena je

referenčni okvir. Ko premikajo glavo, se pojavi relativno gibanje laserskih peg proti

steni. Pege se gibljejo v smeri, ki je nasprotna smeri premikanja glave. Pri daljnovidnih

osebah nastane slika laserskih peg in vseh predmetov pred steno na mrežnici, slika stene

pa pred mrežnico. Ob premikanju glave se spet pojavi relativno gibanje peg glede na

referenčni okvir – steno, ki pa ima sedaj isto smer kot premikanje glave.

60

7 Zaključek Diplomsko delo o laserjih in njegovi uporabi vsebuje v prvem delu teoretični pregled

fizike, ki je potrebna za razumevanje delovanja laserja in lastnosti, po katerih se

laserska svetloba razlikuje od drugih vrst svetlobe. Ko sem pregledovala literaturo o

laserjih sem ugotovila, da je laserska tehnika že sedaj zelo razvita, razvoj pa še vedno

poteka z vratolomno hitrostjo. Pojavljajo se nova področja uporabe, že uveljavljena pa

se izboljšujejo. Zato sem sedaj, še bolj kot na začetku raziskovanja, prepričana, da je

treba ne glede na to, kaj pravijo učni načrti, ki pač ne morejo slediti hitremu razvoju,

učence in dijake čim prej seznaniti z laserjem. To lahko naredimo na več načinov.

Mimogrede lahko prikažemo njegove lastnosti, ko obravnavamo valovanje, svetlobo in

optiko nasploh. Uporabimo pa ga lahko tudi pri obravnavanju drugih vsebin npr. za

merjene razdalj in prikaz Brownovega gibanja [15].

Želela bi, da so izdelane elektronske prosojnice in opisi poskusov, ki so podani v

drugem delu diplomskega dela, učiteljem v pomoč pri njihovem delu. Uporaba sama naj

jim olajša delo, še bolj pa bi bila vesela, če bi jih tak način dela vzpodbudil k temu, da

bi tudi sami začeli iskati možnosti, kako vnesti v poučevanje fizike čim več novosti iz

vsakdanjega življenja. To bo pripomoglo k večji motiviranosti učencev za učenje fizike.

Hkrati pa bo pripomoglo k temu, da bodo dosegli cilj, ki ga poimenujemo

vseživljenjsko učenje. Sama pa se bom trudila, da bom prosojnice s področja uporabe

laserja ves čas posodabljala in tako sledila razvoju.

Zadnja misel tega dela pa naj bo namenjena poskusom Paula Dohertyja iz

Exploratoriuma v San Franciscu. Poskusi, ki so opisani v mojem diplomskem delu, so le

majhen delček tega kar nam nudi. Če pogledamo njegovo spletno stran, ugotovimo, da

skoraj ni področja fizike, za katerega ne bi imel pripravljenih poskusov, ki so takšni kot

so opisani tukaj: preprosti, s poceni potrebščinami in predvsem učinkoviti. Vesela sem,

da sem jih odkrila. Z njimi bom poskusila popestriti pouk tudi pri obravnavi drugih

vsebin.

61

Literatura [1] L. Črepinšek, Tehniška fizika, (Fakulteta za strojništvo, Maribor, 2002). [2] F. Graham-Smith in T. A. King, Lasers in Surgery and Dentistry, (European Medical Laser Association, Rijeka, 2001). [3] V. Henč-Bartolić, L. Bistričić, Predavanja i auditorne vježbe iz fizike lasera, Element, Zagreb, 2001). [4] A. Kolman, D. Mati Djuraki, D. Pintar, Naravoslovje 7, (Rokus, Ljubljana, 2003). [5] R. McKie, Laserji, (Delavska enotnost Ljubljana, Ljubljana, 1987). [6] B. Mihelič, D. Mati Djuraki, G. Torkar, Naravoslovje 6, (Rokus Klett, Ljubljana, 2008). [7] M. Mitrović in M. Džinić, Laser u medicini, (Medicinska knjiga Beograd-Zagreb, Zagreb, 1983). [8] J. Strnad, Fizika 4. del, (Državna založba Slovenije, Ljubljana, 1982). [9] Tematski leksikoni, Fizika, (Učila International, Tržič, 2002). Spletne strani: [10] M. Ivančič, Uporaba laserjev v industriji. Pridobljeno 11. 3. 2009 iz http://www-f1.ijs.si/~ziherl/IndustrijskiLaserji.pdf . [11] B. Hajdinjak, Vpliv laserske svetlobe nizkih energij na biološka tkiva. Pridobljeno 11. 3. 2009 iz http://lbk.fe.uni-lj.si/pdfs/BEM-BlazHajdinjak.pdf . [12] P. Maček, Lasersko rezanje vlaknene plošče. Pridobljeno 3. 6. 2008, iz http://www.digitalna-knjiznica.bf.uni-lj.si/vs_macek_peter.pdf . [13] M. Rozman, Laser in uporaba. Pridobljeno 3. 6. 2008, iz http://zvonko.fgg.uni-lj/seminarji/laser-uporaba/LASER3.htm . [14] Wikipedia, Laser. Pridobljeno 11. 3. 2008, iz http://sl.wikipedia.org/wiki/laser . [15] Scientific Explorations and Adventures with Paul Doherty. Pridobljeno 11. 3. 2009 iz http://www.exo.net/~pauld/topicindex.htm#optics . [16] Fizika poluprevodničkog diodnog lasera. Pridobljeno 11. 3. 2009 iz http://www-f9.ijs.si/~rok/sola/polprevodniki/laserska%20dioda_files/dioda_6.jpg . [17] Laser Diffraction and Interference. Pridobljeno 11. 3. 2009 iz http://techtv.mit.edu/tags/1389-light/videos/2384-laser-diffraction-and-interference .

62

[18] Lasers. Pridobljeno 3. 6. 2009 iz http://www.colorado.edu/physics/2000/lasers/index.html . [19] Učni načrt – fizika. Pridobljeno 3. 6. 2009 iz http://portal.mss.edus.si/msswww/programi2008/programi/gimnazija/ucni_nacrti.htm . [20] Učni načrt – Naravoslovje 6. Pridobljeno 3. 6. 2009 iz http://www.mss.gov.si/fileadmin/mss.gov.si/pageuploads/podrocje/os/devetletka/predmeti_obvezni/Naravoslovje_6_obvezni.pdf . [21] Učni načrt – Naravoslovje 7. Pridobljeno 3. 6. 2009 iz http://www.mss.gov.si/fileadmin/mss.gov.si/pageuploads/podrocje/os/devetletka/predm.eti_obvezni/Naravoslovje_7_obvezni.pdf . [22] Creating a Laser. Pridobljeno 3. 6. 2009 iz http://www.colorado.edu/physics/2000/lasers/lasers4.html. [23] Varilni laser. Pridobljeno 3. 6. 2009 iz www.pro-portal.com/rofin_starweld_select.htm .