Füüsika kodune kontrolltöö "Laserid" (0)

Füüsika kodune kontrolltöö „ Laserid “
Kaarel Aruoja, 12. klass
2. Mis järeldub Heisenbergi täpsuspiirangust kiirgumisaja Δt ja kiirguva energia ΔE kohta? - Heisenbergi täpsuspiirangust järeldub kiirgumisaja Δt kohta see, et see ei saa olla nulli lähedane. Kui Δt oleks hetkeline ehk nulli lähedane, siis kiirguv energiahulk ΔE oleks energiaskaalas lõpmata lai (energiahulk oleks siis lõpmata suur).
3. Mida mõista kvantseisundi eluea all? Kui pikk see on? - Kvantseisudni eluiga on tegelikult kiirgussirde kestus. Kiirgussiirde kestvus on 10-9 – 10-8 sekundit.
6. Mida nimetatakse luminestsentsiks? Too kolm näidet, kuidas see tekkida võib. - Luminestsentsiks nimetatakse sellist aine poolt emiteeritud valgust, mis ületab (enamasti suhteliselt kitsas spektraal-diapasoonis) samale temperatuurile vastavat soojuskiirguse taset. Kolm näidet:

• Fotoluminestsents on protsess, mille käigus toimub valguse (footoni, valguskvandi ) kiirgumine materjalist peale lühilainelisema nähtava valguse või ultraviolettkiirguse neeldumist aines. Tekib valguse kiiritamise tulemusel.
  
• Elektroluminestsents on luminestsents, mis tekib aines rakendatud elektrivälja mõjul.
  
• Katoodluminents tekib elektronide pommitamise (katoodkiirega kiiritamine) tulemusel.
  

7. Kuidas jaanimardikad helendavad? - Jaanimardikad on tuntud sellepärast, et neil (emastel isenditel) on tagakeha tipus helenduselundid, mis kiirgavad mittesoojusikku rohekat valgust. Seda protsessi nimetatakse bioluminestsentsi nähtuseks. Jaanimardika rakud sisaldavad kemikaali nimega lutsiferiin ning toodavad veel ensüümi nimega lutsiferaas. Mardika tagakeha hakkabki helendama siis, kui need ained oksüdeeruvad ja reageerivad omavahel. Seejärel tekib passiivne molekul nimega oksülutsiferiin. Lutsi-feraas seejärel reageerib ATP-ga, mis leidub kõikides rakkudes, ning moodustub lutsiferiil adenülaat ja pürofosfaat.
Lutsiferiin + ATP -> lutsiferiil adenülaat + pürofosfaat
Selle reaktsiooni põhiselt helendavad jaanimardikad.
8. Kuidas tekib vabakiirgus ehk spontaanne kiirgus? - Vabakiirgus ehk spontaanne kiirgus on kiirgus, mis kaasneb aatomi iseenesliku siirdega kõrgemalt energiatasemelt madalamale energiatasemele.
9. Kuidas tekib simuleeritud ehk sundkiirgus ? – Kuna metastabiilses olekus viibivad elektronid kaua, ja ergastamine toimub pidevalt, siis peagi on ergastatud olekus elektrone rohkem kui neid on põhiolekus. Sellist olukorda nimetatakse pöördhõiveks, sest tavaliselt on elektrone põhiolekus rohkem kui ergastatud olekuis. Kui nüüd tuleb kusagilt valguskvant , mille energia vastab metastabiilse oleku ja põhioleku energiate vahele, siis tekib stimuleeritud kiirgus ja metastabiilses olekus elektronid lähevad korraga põhiolekusse. Sellega kaasneb ka tugev kiirgus.
11. Mis on laserid? - Laser ehk valguskvantgeneraator ehk optiline kvantgeneraator on indutseeritud kiirguse omadustel põhinev seade, mis tekitab monokromaatilist elektromagnetkiirgust spektri optilises, kas siis ultravioletses, nähtavas või infrapunases osas.
12. Kuidas saavutatakse laserites pöördhõive? Joonis. - Laserkiirgus saab tekkida, kui aine aatomitel on elektronide jaoks sobivad energeetilised olekud : põhiolek, ergastatud olek ja metastabiilne olek. Ergastamisel viiakse elektronid ergastatud olekusse, kust nad kohe siirduvad väiksema energiaga, aga metastabiilsesse olekusse. Kuna metastabiilses olekus viibivad elektronid kaua, ja ergastamine toimub pidevalt, siis peagi on ergastatud olekus elektrone rohkem kui neid on põhiolekus. Sellist olukorda nimetatakse pöördhõiveks, sest tavaliselt on elektrone põhiolekus rohkem kui ergastatud olekuis.
13. Kuidas töötab rubiinlaser ? - Seda tüüpi laseris on sünteetilisest rubiinist varras, mille otstes on peeglid . Valge valguse sähvatused spiraalsest ümber varda asuvast välklambist ergutavad rubiini aatomeid. Niipea, kui üks ergutatud aatomitest suudab spontaanselt footoni kiirata, stimuleerib see footon teisi ergutatud aatomeid kiirgama valgust, mis peegeldub edasi-tagasi varda otstesse paigutatud peeglite vahel. Üks peeglitest on pool-läbilaskev, nii et laseri kiir saab korduvalt toru sees peegelduda ja lõpuks välja pääseda. Teised laserid kasutavad rubiini asemel gaasisegusid ja värvaine lahuseid.
14. Milliste omadustega on laserite kiirgus? - Laserikiirgust eristab muudest valgusallikatest tugev ajaline ja ruumiline koherentsus. Ruumiline koherentsus väljendub selles, et laserkiir saab olla väga väikese läbimõõduga. Seetõttu saab laseri kiirgust fokuseerida punktiks, et saavutada väga kõrgeid kiiritustihedusi. Ruumiline koherentsus tähendab ka seda, et laserikiir on väga väikese hajuvusega, mistõttu seda saab kasutada pika vahemaa tagant. Ajalise koherentsuse tõttu on laserikiirel (erinevalt teistest valgusallikatest) suhteliselt pikk koherentsuse teepikkus, mis tähendab, et piki kiirt on valguse laine faas korreleeritud üsna pika vahemaa taha (~30 cm). Enamikust laseritest ei välju puhas ühe lainepikkusega valgus, vaid väljuvas valguses on mitu "moodi", millest igaühel on oma lainepikkus . Tihti on moodid ka erineva polarisatsiooniga. Ja kuigi ajaline koherentsus tähendab ka monokromaatsust, on olemas lasereid, mis kiirgavad korraga mitmel lainepikkusel või lausa laias spektrivahemikus.
15. Võrdle laserite ja hõõglampide valguse erinevusi. - Laserikiirgust eristab muudest valgusallikatest tugev ajaline ja ruumiline koherentsus. Ruumiline koherentsus väljendub selles, et laserkiir saab olla väga väikese läbimõõduga. Seetõttu saab laseri kiirgust fokuseerida punktiks, et saavutada väga kõrgeid kiiritustihedusi. Ruumiline koherentsus tähendab ka seda, et laserikiir on väga väikese hajuvusega, mistõttu seda saab kasutada pika vahemaa tagant. Seda ei saa väita konventsiaalse hõõglambi kohta.
16. Mis on laserite liigitamise aluseks? - Lasereid liigitatakse pumpamise viisi, töötava aine, resonaatori ehituse ja töörežiimi järgi. Pumpamise viisiks võib olla optiline pumpamine , elektronergastus ja keemilised reaktsioonid, aga leidub muidki võimalusi. Töörežiimi järgi eristatakse pidevrežiimis töötavat ja impulss-laserit. Töötava aine põhjal eristatakse gaas-, vedelik-, pooljuht- ja dielektriklasereid.
18. Fotoluminestsentsi kohta sõnastas inglise füüsik J. Stokes 1852. a. Järgmise reegli: luminest-sentskiirguse lainepikkus on alati suurem teda esile kutsuva valguse lainepikkusest. Selle reegli kohaselt ei saa näiteks punase valgusega esile kutsuda roheliselt helenduvate kehade luminestsentsi, küll aga saab seda teha sinise või violetse valgusega. Anna sellele reeglile kvantfüüsika seisukohalt seletus. - Aine kogub päikese käes enda sisse valgust ning kui pimedaks läheb, hakkab ta helendama. Kui aine on kogunud endasse näiteks 10 ühikut valgust, loovutab ta nüüd endast välja vähem kui 10 ühikut. See tähendab, et tekib soojuslik kadu. Sellest tulenebki, et fotoluminestsenti korral on kiirguv valgus väiksema intesiivusega ning suurema lainepikkusega, kui seda protsessi esile kutsuv neelduv valgus.
19. Nimeta 3 laserite kasutusala ning too välja tehnoloogia eelised võrreldes teiste analoogsete mitte laser tehnoloogiatega:

• Erinevad mõõteseadmed
  
• Holograafia
  
• Laserkassaator kauplustes
  
• Laserprinterid
  
• Laserplaat ehk kompaktketas, heli- ja videosalvestus
  
• Optilises kaablis info edastamine (kaabeltv, e-mail jne)
  
• Meditsiinis, diagnostikas ja kirurgias eriti
  
• Laserspektroskoopia
  
• Materjalide töötlemine tehnoloogias
  
• Keemias reaktsioonide mõjutamine
  
• Bioloogilised peenoperatsioonid
  
• Fotoonika
  

Laserid suudavad genereerida koherentset valgust erinevatel lainepikkustel, mis langevad laia vahemikku – kaugest ultravalgusest üle nähtava spektririba kauge infravalguseni. On ka lasereid, mis suudavad lainepikkust kitsamas vahemikus sujuvalt muuta. See on eriline voorus teadusuuringuis. Laseritega toodetele või pakenditele info kandmise eeliseid : see ei kulu maha, ei muutu häguseks. Hambakivi eemaldamise puhul toob laseri kasutamise eelised välja unikaalne tagasiside mehhanism , mille abil saab raskesti ligipääsetavates kohtades, ilma otsest silma kontrolli omamata, eemaldada kogu igeme all paikneva hambakivi. Samal ajal muudetakse töödeldud igemetaskud ka bakterivabaks ning teostatakse nn. deepitelisatsioon, mille tulemusena saab tagasi tekkida hamba bioloogiline kinnituskude. Laserikiirgust eristab muudest valgusallikatest tugev ajaline ja ruumiline koherentsus. Ruumiline koherentsus väljendub selles, et laserkiir saab olla väga väikese läbimõõduga. Seetõttu saab laseri kiirgust fokuseerida punktiks, et saavutada väga kõrgeid kiiritustihedusi. Ruumiline koherentsus tähendab ka seda, et laserikiir on väga väikese hajuvusega, mistõttu seda saab kasutada pika vahemaa tagant. Ajalise koherentsuse tõttu on laserikiirel (erinevalt teistest valgusallikatest) suhteliselt pikk koherentsuse teepikkus, mis tähendab, et piki kiirt on valguse laine faas korreleeritud üsna pika vahemaa taha (~30 cm). Enamikust laseritest ei välju puhas ühe lainepikkusega valgus, vaid väljuvas valguses on mitu "moodi", millest igaühel on oma lainepikkus. Tihti on moodid ka erineva polarisatsiooniga. Ja kuigi ajaline koherentsus tähendab ka monokromaatsust, on olemas lasereid, mis kiirgavad korraga mitmel lainepikkusel või lausa laias spektrivahemikus.
20. Video laserite kohta. – Leidsin laheda üsna uue leiutise , mida esitati TED konverentsil . Tegemist on leiutisega, mille abil saab sääski/moskiitiosid laseritega tappa ja hoida oma närvitaseme madalal. Üsna naljakas vaatamine.
Link : https://www.youtube.com/watch?v=YnSKrzmpKGw